Fisiologia comparada USP 2010
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Like this? Share it with your network

Share

Fisiologia comparada USP 2010

  • 14,799 views
Uploaded on

Material criado pelo Curso de Inverno da USP com o título "Tópicos em Anatomia Comparada". ...

Material criado pelo Curso de Inverno da USP com o título "Tópicos em Anatomia Comparada".

www.euquerobiologia.com.br
biologia, curso de biologia, biólogo, curso, biologia curso, eu quero biologia

More in: Lifestyle
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
14,799
On Slideshare
14,398
From Embeds
401
Number of Embeds
1

Actions

Shares
Downloads
466
Comments
0
Likes
2

Embeds 401

http://www.euquerobiologia.com.br 401

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1.  
  • 2. Comissão OrganizadoraAmanda de Moraes NarcizoCamila Helena de Souza QueirozCamila Lopes PetrilliCláudia Emanuele Carvalho de SousaDiego Jose Belato y OrtsFelipe Viegas RodriguesKelly Dhayane Abrantes LimaLeopoldo Francisco Barletta MarchelliMarco Antônio Pires Camilo LapaMaria Nathália de Carvalho Magalhães MoraesMarina Marçola Pereira de FreitasTatiana Hideko KawamotoCoordenador: Prof. Dr. Márcio Reis CustódioVII Curso de Inverno:“Tópicos em Fisiologia Comparativa”http://www.ib.usp.br/cursodeinvernoRealizaçãoPatrocínio
  • 3. ApresentaçãoVII Curso de Inverno - IB/USP Pág. iAPRESENTAÇÃOA idéia da criação do Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia Comparativa surgiuem 2002, quando alunos da pós-graduação do Departamento de Fisiologia Geral do Institutode Biociências da Universidade de São Paulo – USP, ansiavam a criação de um espaço quepossibilitasse alternativas de aprendizado complementar. Naquele momento de inquietude evontade discente, a decisão foi de empenho em realizar um curso no período de férias eoferecê-lo a graduandos e recém-graduados que almejassem ingressar na pós-graduaçãoem Fisiologia, ou mesmo para aqueles que se interessassem pelo tema de uma forma geral.Além disso, na última década, percebemos uma preocupação crescente emdescentralizar o desenvolvimento concentrado na região Sudeste do país e atingir áreasmais carentes tanto em pesquisa quanto em desenvolvimento humano. Em defesa desteconjunto de idéias e ações que a Comissão Organizadora do Curso de Inverno buscasempre ampliar o alcance do curso, colaborando cada vez mais efetivamente na construçãode um país com menos desigualdades.Sendo assim, o curso é voltado para alunos originários das diversas áreas doconhecimento que tenham interesse em Ciências Fisiológicas, mais especificamente emFisiologia Comparativa. Seu principal objetivo é promover discussões de conhecimentosfundamentais para uma boa formação em Fisiologia, assim como proporcionar uma vivênciano dia-a-dia da pesquisa do Departamento de Fisiologia do Instituto de Biociências - USP.Este livro visa complementar os conteúdos discutidos em sala de aula,proporcionando uma fonte adicional de consulta para os participantes. O livro é composto denove unidades que abrangem os mais variados temas dentro da Fisiologia Comparativa, osquais apresentam desde teorias básicas até as mais novas discussões da atualidade.Desejamos uma boa leitura a todos!Comissão OrganizadoraVII Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia ComparativaUniversidade de São Paulo5 a 23 de Julho de 2010
  • 4. Mapa ConceitualPág. ii VII Curso de Inverno - IB/USPMAPA CONCEITUALNa tentativa de sempre melhorar a qualidade das aulas e a comunicação dos pós-graduandos, a edição 2010 do “Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia Comparativa” foiorganizado em módulos conforme delineamento sugerido por um mapa conceitual, o qualmostra a interligação entre os diversos assuntos da Fisiologia e aponta as relaçõesexistentes entre os temas que serão abordados no decorrer do curso. Assim sendo, a partirdele, os módulos deste ano foram criados de acordo com as proximidades de cadatema. Desta maneira, podemos oferecer aos alunos participantes uma base mais sólida ecoesa a cerca da Fisiologia Comparativa, e ao mesmo tempo transmitiremos uma boa noçãoda diversidade de temas abordados no Departamento de Fisiologia.Mapa Conceitual mostrando as interligações existentes nos mais diversos temas abordados noDepartamento de Fisiologia Geral do Instituto de Biociências da USP, os quais serãoapresentados durante as aulas no Curso de Inverno: Tópicos em Fisiologia Comparativa 2010.
  • 5. SumárioVII Curso de Inverno - IB/USP Pág. iiiSUMÁRIOUnidade 1Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaCapítulo 1 O que é ciência e como praticá-la pág. 03Capítulo 2 Formulando perguntas em fisiologia comparativa pág. 09Capítulo 3 Evitando confundir-nos: aspectos fundamentais do desenhoexperimental e a estatística inferencial pág. 13Capítulo 4 O Fim da Picada: Comunicando Ciência pág. 17Glossário pág. 21Bibliografia pág. 22Unidade 2Sinalização CelularCapítulo 5 Comunicação celular: entendendo a ritmicidade endógena pág. 23Capítulo 6 Fisiologia celular do plasmodium durante a fase assexuada pág. 41Capítulo 7 RNAi: ouvindo a voz do silêncio pág. 49Bibliografia pág. 66Unidade 3NeurociênciasCapítulo 8 História da neurociência pág. 79Capítulo 9 Princípios básicos em fisiologia neural pág. 89Capítulo 10 Fisiologia sensorial pág. 103Capítulo 11 Neurofisiologia da visão pág. 115Capítulo 12 Causa e função pág. 121Capítulo 13 Percepção pág. 127Capítulo 14 Memória e seus aspectos evolutivos pág. 139Capítulo 15 Navegação espacial pág. 153Capítulo 16 Neurobiologia das emoções pág. 163Capítulo 17 Neurofisiologia da linguagem pág. 179
  • 6. SumárioPág. iv VII Curso de Inverno - IB/USPCapítulo 18 Neurofisiologia da música pág. 187Bibliografia pág. 194Unidade 4MetabolismoCapítulo 19 Metabolismo e Temperatura: Conceitos e Implicações pág. 205Capítulo 20 Medindo a chama da vida pág. 217Capítulo 21 Ectotermia: um acesso de baixo custo à vida pág. 235Capítulo 22 Termorregulação em endotérmicos: febre e anapirexia. “Ana” o quê?pág. 247Capítulo 23 Metabolismo energético em câmera lenta: mecanismos de depressãometabólica sazonal pág. 257Capítulo 24 Custos e benefícios da reprodução: papel dos lipídios pág. 269Capítulo 25 A ecofisiologia no cenário das mudanças climáticas globais pág. 279Bibliografia pág. 286Unidade 5Neuroendocrinologia ComparadaLista de abreviações pág. 301Capítulo 26 Neuroendocrinologia comparada: análise comparativa entre o encéfaloe a hipófise de peixes e mamíferos pág.305Capítulo 27 Neuroendocrinologia comparada: o encéfalo e a hipófise de anfíbios,répteis e aves pág. 323Capítulo 28 Sistema neuroimunoendócrino pág. 337Bibliografia pág. 348Unidade 6Ecotoxicologia AquáticaCapítulo 29 Metal não essencial: o cádmio e seus efeitos pág. 361Capítulo 30 Transporte de Metais Essenciais em Organismos Aquáticos: o cobre eo zinco pág. 371
  • 7. SumárioVII Curso de Inverno - IB/USP Pág. vCapítulo 31 Efeitos da toxicidade de metais no metabolismo de organismosaquáticos pág. 381Capítulo 32 Alterações neuroendócrinas resultantes da exposição a metaispág. 395Bibliografia pág. 407Unidade 7Fisiologia Comparada de Invertebrados Marinhos: Trocas Gasosas,Digestão e Sistema ImuneCapítulo 33 Trocas gasosas em invertebrados marinhos pág. 427Capítulo 34 Adquirindo energia: formas de alimentação e digestão em inverte-brados marinhos pág. 435Capítulo 35 Sistema Imune de Invertebrados marinhos: mecanismos, funções esimilaridades pág. 455Bibliografia pág. 467Unidade 8Fundamentos de ToxinologiaCapítulo 36 Co-evolução entre peçonhas e seus alvos pág. 473Capítulo 37 Produtos naturais e sua função como defesa química pág. 483Capítulo 38 Invertebrados marinhos: toxinas e seus mecanismos de ação pág. 493Capítulo 39 Lepidópteros: aspectos biológicos e toxinológicos pág. 501Capítulo 40 Raias – biologia e envenenamento pág. 511Capítulo 41 Serpentes peçonhentas do Brasil: biologia, fisiologia e epidemiologiapág. 519Bibliografia pág. 535
  • 8. SumárioPág. vi VII Curso de Inverno - IB/USPUnidade 9Quantificação e Análise de DadosCapítulo 42 Quantificação de Fenômenos Fisiológicos pág. 547Bibliografia pág. 564
  • 9. Unidade 1Método Científico Aplicado a Estudosem Fisiologia ComparativaCoordenador: Agustín Camacho GuerreroLaboratório de Herpetologiaagustin.camacho@usp.brEste capítulo tem três objetivos. A) Apresentar aos leitores os principais métodos usadospara gerar conhecimento científico, B) Mostrar como a fisiologia comparativa pode valer-sede dois destes métodos: o método indutivo e o hipotético-dedutivo, C) Revisar o processo degeração de conhecimento, desde o levantamento de perguntas científicas até acomunicação dos resultados de um projeto de pesquisa, passando por apresentar as basesdo desenho experimental e a análise estatística. O fim último deste texto e as aulasassociadas é que os alunos tenham uma visão básica e estruturada do método científico.Com esta visão, espero que lhes seja mais fácil aprender no futuro sobre temas maisespecíficos (desenho experimental, estatística, comunicação da ciência, etc). No final docapítulo, existe um glossário que define termos importantes em negrito. Os termos estão naordem em que são encontrados durante a leitura, para facilitar uma consulta inmediata.Por que ler este texto?Infelizmente, muitos cursos em biologia colocam as disciplinas de método científico comooptativas, em lugar de inserir este tipo de preparo, ao menos nas disciplinas obrigatórias dagrade curricular. Deste modo, muitos alunos não têm um preparo mínimo para planejar,executar projetos científicos, nem comunicar os resultados obtidos. Como conseqüência, osprimeiros trabalhos de um aluno perdem em qualidade, diminuindo também suaspossibilidades de obter bolsas no futuro. Este capítulo pretende mostrar alguns conceitosbásicos e dicas para auxiliar aos alunos nos seus primeiros encontros com o trabalho depesquisador. Durante as aulas relacionadas a este módulo veremos estes conceitos daforma mais didática possível, mas neste capítulo tem informações e dicas úteis que nãoserão explicadas na aula.
  • 10. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 2 Julho/2010Todos os capítulos revisados pelos profsDr. Pedro Ribeiro e Dr. Pedro Luis Bernardo da RochaCapítulo 1 O que é ciência e como praticá-la pág. 03Agustín Camacho GuerreroCapítulo 2 Formulando perguntas em fisiologia comparativa pág. 09Agustín Camacho GuerreroCapítulo 3 Evitando confundir-nos: aspectos fundamentais do desenhoexperimental e a estatística inferencial pág. 13Agustín Camacho GuerreroCapítulo 4 O Fim da Picada: Comunicando Ciência pág. 17Agustín Camacho GuerreroGlossário pág. 21Bibliografia pág. 22
  • 11. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 3O que é ciência e como praticá-la.Agustín Camacho GuerreroLaboratório de Herpetologiaagustin.camacho@usp.brO que é ciência?Uma bonita forma de começar a preparar-nos é conhecer a etimologia da palavraque definirá nosso trabalho, talvez pelo resto das nossas vidas. A palavra ciência provém dolatim “scientia” proveniente do verbo “scire = saber”, este está relacionado com o verbo,também latim, “scindo = dividir”. Existem várias definições de ciência, mais ou menoscompletas, seja com ênfase nos seus objetivos ou nos métodos que usam. Uma definiçãobastante completa é:“1. The systematic observation of natural events and conditions in order to discoverfacts about them and to formulate laws and principles based on these facts. 2. Theorganized body of knowledge that is derived from such observations and that can be verifiedor tested by further investigation. 3. Any specific branch of this general body of knowledge,such as biology, physics, geology or astronomy.” Academic Press Dictionary of Science &Technology.Neste módulo, seguiremos uma visão de ciência como busca e comunicação deconhecimento, o mais confiável possível, sobre a natureza.Métodos conceituais de obtenção do conhecimento.Desde séculos antes de Cristo, filósofos, empiristas e estatísticos, tais comoAristóteles, Bacon, Bayes, Fisher, Popper, Underwood e Jaynes, vêm aprimorando osmétodos conceituais de obter conhecimento do mundo natural, de forma a obter maisconhecimento e com maior confiabilidade. Assumo que um passo necessário para sermosbons cientistas passa por conhecer os diferentes modos de obtenção de conhecimento. Acontinuação, lhe introduzirei aos métodos mais conhecidos e utilizados. Deste modo, esperojustificar um esquema unificado de obtenção de conhecimento que lhe facilite a assimilaçãode conceitos apresentados em futuros cursos de estatística e delineamento experimental.Vamos lá:No século IV a. c., Aristóteles definiu o raciocínio demonstrativo, ou lógicaaristotélica, em seis obras conhecidas coletivamente como Organon. De acordo comAristóteles, existem termos gerais (Ex. os homens) e termos particulares (Ex. Socrates) quese referem a subconjuntos dos termos gerais. Segundo este método, estes elementospodem ser identificados e, relacionando estes através de construções lógicas (silogismos),é possível derivar conhecimento novo e necessariamente certo (inferências). Nestasconstruções, a combinação de dois ou mais enunciados verdadeiros (Ex. todos os homens
  • 12. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 4 Julho/2010são primatas; Sócrates é um homem) permitem inferir um novo conhecimento, tambémverdadeiro (então Sócrates é um primata). O sistema lógico inventado por Aristóteles, nospermite até hoje combinar observações consideradas certas para fazer crescer nossoconhecimento. Porém, Aristóteles não criou um sistema formal para a determinação daveracidade ou generalidade dos termos, fazendo com que esta determinação fosse, durantemuito tempo, feita com base no conhecimento prévio e subjetivo dos naturalistas.Em 1620, Francis Bacon rompeu com a tradição da lógica aristotélica propondoevitar que prévias doutrinas intercedam nas nossas observações. Para Bacon, só erapossível aumentar nosso conhecimento através da experimentação e das observações. Oconhecimento gerado permitiria, segundo ele, explicar de forma cautelosa, situaçõesrelativamente similares. Produzir explicações sobre grupos de casos gerais com base noque sabemos de casos particulares é definido por ele como indução. Para Bacon, esteconhecimento deveria gerar novos experimentos e ser testado em diversas situações. Eledefendia que os cientistas deveriam ser céticos acima de tudo, e não aceitar explicaçõesque não possam ser verificadas pela observação e experiência. Bacon, entretanto, nãoclarificou quantas nem como deviam ser feitas as observações para assumir umconhecimento como certo.Em 1670, Bayes elaborou um método lógico de atribuir uma probabilidade aafirmações geradas por indução. Este método é conhecido como lógica probabilísticaindutiva. Assume que a probabilidade de uma hipótese ser verdadeira pode ser calculadamultiplicando: A) nossa expectativa de que a hipótese seja certa, expressada em forma deprobabilidade prévia, vezes B) um valor de verossimilhança (likelihood) obtido a partir denovas observações (Bayes 1763). Desta forma, a probabilidade bayesiana fornece umamedida de quanto é razoável acreditar em uma hipótese usando toda a informação de quedispomos (Jaynes 2003). Um problema com este método é que as probabilidades préviaspodem mudar subjetivamente com o pesquisador, e isto afeta ao resultado final. Outroproblema é exposto na continuação.Karl Popper (1934) enunciou o Método hipotético-dedutivo, chamado tambémprobabilismo ou falsificacionismo. Segundo este método, não é possível derivarprobabilidades para asserções geradas por indução (Popper 1959) (ex. o simples fato deque todos os corvos que vi até agora são pretos, não permite calcular a probabilidade deque o próximo corvo que eu veja será preto, pois não conheço quantos corvos existem nomundo). Para Popper, o conhecimento deve estar justificado de forma lógica. Deste modo,ele defende que só podemos justificar de forma lógica a crença em uma teoria, em quantoprevisões derivadas logicamente desta estejam sobrevivendo a testes com base emobservações. Segundo este autor, a validade de uma teoria pode ser testada de quatroformas diferentes: 1) Determinando se as conclusões de uma teoria contradizem-se entre
  • 13. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 5elas (Para este autor, você pode considerar “conclusões de uma teoria” sinônimo deprevisões, predições ou hipóteses). 2) Verificando a estrutura lógica da teoria, paradeterminar se esta é empírica ou é uma tautologia; 3) Comparando com outras teoriaspara saber se o fato de superar nossos testes suporia um avanço científico; 4) Testarempiricamente as conclusões. Para testar as conclusões, Popper propõe testar aquelas quevão mais de contra com a teoria e que possam ser mais severamente testadas. Um dosproblemas principais apontados a este método é que não gera crescimento da certezarelativa nas diferentes teorias, por considerar-se que sempre existirão infinitas possíveisteorias competindo para explicar cada fenômeno.Outros autores tem defendido o uso da verificação para aumentar nossa certezasobre teorias (Ex. Sober 1999 e Lloyd 1987, citados por Lewin-koh et al. 2004). Apesar doproblema lógico apontado por Popper, vários autores baseiam-se no procedimento de“verossemelhança máxima” popularizado por Fischer (Aldrich 1997) para defender que averificação de certas hipóteses em várias instâncias (ex. uma relação entre taxa deventilação e percentagem de O2 no fluxo sanguíneo dos pulmões foi observada em váriosvertebrados) permite obter confiança objetivamente mensurável sobre predições feitas paranovas observações (Ex. relação entre a taxa de ventilação e percentagem de O2 no torrentesanguíneo de um novo vertebrado que ventila). A representação matemática destasrelações é comumente chamada de modelagem. Onde os modelos podem serconsiderados representações matemáticas que descrevem ou relacionam variáveis.Em geral, podemos observar que os métodos de obtenção de conhecimento desdeBacon valem se de concepções que representam o que pensamos do mundo real (Ex.teorias, modelos, hipóteses) e seu contraste com observações do mesmo (tambémrepresentadas em forma de variáveis, amostras, etc). Na literatura, podemos encontrar umadiversidade de significados para estes conceitos em função do autor e a área da ciência(Suppes 1960). Pessoalmente, opino que para que grupos de conceitos sejam úteis e maisfacilmente ensináveis estes devem ter significados específicos e estar relacionados entreeles de forma lógica. Por isto, neste capítulo combinei a relação entre modelo e teoriaproposta por Suppes (1960) e a relação entre modelo e hipótese proposta por Underwood(1997). Desta forma estes conceitos ficam hierárquica e logicamente relacionados, e seussignificados são aceitáveis desde os diferentes modos de obtenção de conhecimento(compare com Jaynes 2003, durante sua apresentação de raciocínio plausível, umaabordagem verificacionista da obtenção de evidência). Assim, é possível inserir-los numprocesso unificado de obtenção de conhecimento científico que combina teoria eobservação. O mapa de conceitos na figura 1 representa tais relações.
  • 14. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 6 Julho/2010SistemasbiológicosTeoriasModelosHipóteses(=predições)Variáveisdos que sederivamrelacionam oudescrevemrepresentados porcompostasporexplicampredizem valoressob determinadascircunstanciasFigura 1 - Relações lógicas entre conceitos centrais ao processo de obtenção deconhecimento. Mapa de conceitos baseado nas propostas de Suppes (1960) e Underwood(1997).O que é Fisiologia Comparativa?Em 1950, Prosser listou alguns objetivos da fisiologia comparativa como disciplina.Estes foram:1) Descrever como os organismos obtêm seus requerimentos no ambiente onde moram.2) Prover bases fisiológicas para entender a ecologia.3) Chamar a atenção sobre animais particularmente bons para estudar processosfisiológicos.4) Encontrar generalizações derivadas do uso de distintas espécies animais em estudosfisiológicos.Um campo com grande desenvolvimento da fisiologia comparativa é a fisiologiaevolutiva, que busca entender a evolução dos parâmetros fisiológicos (Garland & Carter1994). Uma vez que as técnicas moleculares têm acelerado nosso conhecimento dasrelações filogenéticas entre as espécies, muitos cientistas tentam desvendar processosevolutivos através da comparação de características em linhagens de espécies comfilogenias conhecidas (Wiens, 2008).Este campo da fisiologia comparativa nos proporciona um exemplo de como dois oumais métodos de obtenção do conhecimento podem ser combinados (Fig. 2). Imagine quequeremos saber se, em lagartos, morar em hábitats abertos provoca um aumento da taxa
  • 15. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 7metabólica com relação a morar em florestas. Para isto, poderíamos comparar espécies deárea aberta com espécies de floresta. Assim, poderíamos obter que espécies de áreasabertas têm uma maior taxa metabólica (Fig. 2, esquerda). Entretanto, as espécies sãoelementos que apresentam relações filogenéticas. Imagine que estas fossem representadaspelo gráfico A, veríamos que as espécies de área florestada pertencem à linhagem daesquerda e as de área aberta à linhagem da direita. Poderíamos ter certeza que é o tipo dehábitat quem faz aumentar a taxa metabólica? Teríamos mais certeza se nossa hipótesefosse representada por B?taxametabólicafloresta áreaabertasp1sp2sp3sp4sp5sp6sp7sp8sp5 sp6 sp7 sp8sp1 sp2 sp3 sp4sp5 sp1 sp7 sp2sp6 sp2 sp8 sp4BAFigura 2. Comparação hipotética da taxa metabólica entre espécies de lagartos de áreas de floresta ede área aberta. Os cladogramas A e B mostram diferentes relações filogenéticas entre as espéciescomparadas. Sob a hipótese de parentesco A, as espécies de cada tratamento são aparentadas,implicando em que a taxa metabólica mais baixa pode ser devida a viver em floresta ou a sersimplesmente uma característica compartilhada do grupo. Sob a hipótese de parentesco B, a menortaxa metabólica não pode mais ser explicada pelo parentesco, pois em todos os pares de espéciesmais aparentadas a que mora na mata tem a taxa metabólica mais baixa que a que mora em umhábitat aberto.Hoje em dia, métodos indutivos (análise bayesiana) e verificacionistas (análise daverossimilhança máxima) estão entre os mais usados para escolher dentre hipóteses derelações filogenéticas (Amorim 2002). Por outro lado, tanto métodos falsificacionistas(Ex.Teste de Fisher) quanto verificacionistas nos permitiriam testar de maneira objetiva se ataxa metabólica aumenta em função do tipo de habitat, com base em amostras da taxametabólica das espécies referidas. Deste modo, os produtos dos diferentes métodos deobter conhecimento podem ser combinados dentro de uma disciplina científica. Porexemplo, na fisiologia comparativa. Você concorda com esta forma de proceder, ou opinaque só podemos confiar em um modo de obtenção de conhecimento? Aqui não é possível
  • 16. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 8 Julho/2010estender-se mais sobre este assunto, mas lhe recomendo que consulte Sober (2008) antesde decidir-se.
  • 17. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 9Formulando perguntas em fisiologia comparativaAgustín Camacho GuerreroLaboratório de Herpetologiaagustin.camacho@usp.brBuscando trabalho: como levantar uma pergunta a responder.Centremo-nos agora sobre o seu trabalho: fazer ciência. Você sempre deverácomeçar com uma pergunta que, para ter certeza de que vale a pena respondê-la, deveráter surgido do conhecimento do estado da arte da disciplina de interesse. Quandorealizamos perguntas baseadas sobre conhecimento levantando por outros pesquisadores,as chances de gerar um maior avanço científico se multiplicam. “Levante-se sobre osombros dos gigantes” diria Issac Newton. É necessário pensar duas vezes antes descreverum aspecto da fisiologia de uma espécie ou grupo de espécies sob o pretexto único de que“nunca foi estudado”. Isto pode estar escondendo o problema de que não sabemos o que émais relevante saber sobre nosso objeto de estudo (Peters, 1987).Existem várias ferramentas em internet e nas bibliotecas para encontrar esteconhecimento (Web of Science, Biological Abstracts, Zoological Records, GoogleAcadêmico etc.). Através destas ferramentes podemos procurar artigos ou livros que falemsobre nosso tema de interesse. É importante uma cuidadosa seleção de palavras chave,para encontrar o grupo de artigos que tratam o tema de nosso interesse (uma opção: use osconceitos relacionados na sua hipótese de estudo). Uma vez conseguidas algumasreferências devemos procurar o material. Nas universidades públicas brasileiras o portal deperiódicos da CAPES garante acesso a vários jornais científicos on-line. Em são Paulo, aFapesp ainda fornece acesso ao site Jstor, com artigos mais antigos. “O sistema COMUT debibliotecas brasileiras permite, mediante prévio pagamento, a solicitação de xérox ouarquivos ”.PDF” de quaisquer artigos ou separatas que se encontrem numa bibliotecabrasileira. Por último, você pode pedir diretamente ao autor ou conseguir na internet do seusite pessoal, ou site do laboratório onde trabalha. Exija da sua universidade maior acesso arevistas científicas e participe da solicitação de livros na biblioteca da sua unidade! Emseguida, leia organizadamente o material bibliográfico e busque mais entre as referênciasbibliográficas destes trabalhos. As perguntas podem surgir como hipóteses que refutam asprevisões centrais da teoria comumente aceita sobre um determinado tema, ou bem como anecessidade de dados sobre aspectos fisiológicos de determinadas espécies ou grupos quea complementam.
  • 18. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 10 Julho/2010Como ser objetivo: Transformação dapergunta em um gráficoUma vez que tenhamos uma pergunta econfiamos em que esta tem relevância suficientepara investir o esforço necessário, deveremosformulá-la da maneira mais clara possível. Isto éfundamental para: A) determinar o que queremosmedir exatamente, desenhar nossas observaçõesde modo a evitar que estas nos confundam; B)fazer testes estatísticos que nos permitamcalcular, de maneira objetiva, confiança sobre aresposta indicada pelas nossas observações e C)determinar se os custos para responder estapergunta são altos demais como para tentarresponde-la. Uma pergunta clara é aquela quepode ser expressa como uma previsão, ouhipótese, Ex. “a testosterona estimula ocomportamento agressivo na piranha?” ou “a taxade crescimento dos girinos é mais alta em presença de Iodo na água?” Um indício de que apergunta está bastante clara é que você pode ver nos dois exemplos, é que podemostransformar a pergunta em hipótese só tirando o ponto de interrogação.Levantar uma pergunta clara sobre o mundo implica necessariamente que possamosrepresentá-la em um gráfico cartesiano (Magnusson e Mourão, 2004) (ou tal vez em unspoucos, caso responder sua pergunta precise de algumas sub-perguntas). Fazer umarepresentação gráfica dos nossos objetivos ajuda a esclarecer quais os tipos de variáveisdevemos e podemos medir. Ainda, ao facilitar a exposição dos nossos objetivos e resultadosesperados a outras pessoas (Cleveland, 1984), permite que as outras pessoas realizemsugestões ou críticas mais importantes antes de começar todo o trabalho (Magnusson eMourão, 2004).Os eixos do gráfico devem representar as partes de nossa pergunta. Os fatores ouvariáveis independentes serão representados sempre no eixo horizontal e as variáveisdependentes ou de interesse são representadas sempre no eixo vertical (Cleveland,1984).Agora estamos em condições de decidir se usaremos variáveis contínuas oucategóricas para representar nossos fatores e variáveis de interesse. Variáveis contínuasrepresentam características da natureza atribuindo-lhes números reais, enquanto quevariáveis categóricas dividem estas variáveis sob critérios subjetivos para representá-las4. Desenho das observaçõesque respondem à perguntaQuadro 1.  Esquema básico do processo de  trabalho científico.1.Leitura e observaçõesprévias2. Identificação da lacuna de conhecimento3. Emissão da pergunta cuja resposta preenchea lacuna5. Execução e análise das observações7. Interpretação8. Comunicação de resultados e conclusões.
  • 19. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 11(etiquetas, categorias). Entre os exemplos mais comuns de variáveis contínuas estão:comprimento de onda, peso, comprimento, concentração, etc. como variáveis categóricaspodemos citar cores, sexo, tratamento. As variáveis contínuas proporcionam maisinformação, enquanto as categóricas são mais simples de entender e manejar. O melhortipo de variável vai depender essencialmente da sua pergunta e dos recursos disponíveis.Os tipos de variáveis escolhidas determinarão o tipo de gráfico utilizado. Entre osgráficos mais informativos e fáceis de entender estão os gráficos de nuvens de pontos,gráficos de dispersão, ou scatter plots (Magnusson e Mourão, 2004). Podemos encontrardois tipos básicos, o primeiro tem variáveis categóricas no eixo horizontal, o segundo usavariáveis contínuas no eixo horizontal (Fig. 3).O CHUMBO NA ÁGUA INFLUENCIA A TAXA METABÓLICA DOS GIRINOS?muitochumbopoucochumboconcentração dechumbo na águaA BtaxametabólicataxametabólicaFigura 3. Exemplos de gráficos de dispersão. A) gráfico com fator categórico. B) Gráfico comfator contínuo (modificado de Magnusson e Mourão, 2004).Como mostra a Fig. 3, quando categorizamos variáveis podemos perder informação(Magnusson e Mourão, 2004). Se na pergunta anterior o pesquisador tivesse escolhidocomparar duas concentrações de chumbo, não teria detectado o efeito do chumbo sobre ocrescimento dos girinos, mesmo quando realmente existe uma relação entre as variáveis.Por outro lado, as categorias podem ser mais didáticas e fáceis de manejar. Por isto énecessário estar seguro sobre qual informação se quer obter para decidir sobre que tipo devariável usar.
  • 20. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 12 Julho/2010
  • 21. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 13Evitando confundir-nos: aspectos fundamentais do desenhoexperimental e a estatística inferencial.Agustín Camacho GuerreroLaboratório de Herpetologiaagustin.camacho@usp.brAgora que já sabemos qual é nossa pergunta e como representá-la, deveremosrealizar observações que a respondam. Entretanto, um dos maiores problemas pararesponder perguntas sobre sistemas naturais é que estes são afetados por múltiplos fatores.Estes são fatores cujo efeito se mistura com o do nosso fator de estudo, de maneira quepode ser impossível saber se a variação observada na variável dependente é derivada denosso fator ou destes fatores (Hurlbert, 1984). Por exemplo, um experimentador poderiadeterminar que a secreção de saliva é controlada pela presença de alimentos na boca, umavez depositados alimentos na boca de um animal e medindo variações no volume de saliva.Entretanto, se ele não tiver o cuidado de administrar alimentos sem que o animal os veja ouos cheire, a secreção de saliva poderia ser provocada pela visão ou cheiro destes antes quepela sua presença na boca do animal. Para um cientista, é crucial aprender a enxergar eevitar fatores que confundam suas conclusões de maneira não desejada ou oculta. Odesenho experimental representa nossa decisão de quantas observações necessitamos ecomo as distribuímos para evitar que fatores de confusão, influenciem em nossa resposta(Quinn e Keogh, 2002).Erros cometidos durante o desenho amostral podem fazer com que o efeito defatores inadvertidos seja indistinguível do efeito dos teus fatores de estudo. Para evitarconfusões ao comunicar-se com colaboradores durante a fase de planejamento éconveniente aprender claramente os seguintes conceitos: Unidade amostral, repetição ouréplica: elas são cada uma das observações que gera uma resposta a sua pergunta (são ospontos nos gráficos); Universo amostral: é aquela parte da natureza sobre a qual se querobter informações por meio de observações e a qual se aplicam nossas conclusões.O que significa testar uma hipótese?Como vimos antes, para avançar em ciência derivamos hipóteses a partir de modelosconsiderados válidos cuja rejeição/aceitação com base em observações implicaria norefinamento ou rejeição das teorias que possuímos sobre o mundo. Testar uma hipótese émesmo isto: contrastar os valores das nossas observações com os valores queesperaríamos para ela (No falsificacionismo, compararíamos com os valores esperadoscaso nossa hipótese não fosse correta. No verificacionismo, compararíamos as observaçõescom diferentes possibilidades teoricamente justificadas).
  • 22. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 14 Julho/2010Frequentemente, queremos realizar algum de dois tipos de testes: A) se os valoresde nossa variável de interesse estão relacionados com uma ou mais variáveisindependentes (fatores), ou B) Se os valores de nossa variável de interesse feitas em duasou mais situações diferentes (tratamentos) são iguais ou diferentes (Fig.4).variaçãoprovocadapelo fatorruídofatorvariáveldependentetratamento1tratamento2ruídovariaçãoprovocadapelo fatorA BvariáveldependenteFigura 4. “Scatter-plots” mostrando a distribuição da variação em dois tipos básicos de análise: A)análise da relação entre duas variáveis e B) comparação do efeito de dois tratamentos sobre umavariável.Você pode estar-se perguntando: “para que toda esta complicação?” A resposta é aseguinte: como normalmente só conseguimos observar uma parte da variação de nossosistema de estudo, é possível que o resultado de nosso experimento seja esperado peloacaso. Os testes estatísticos nos permitem estimar o quanto é seguro aceitar a resposta anossa pergunta (= houve/não houve relação; houve /não houve diferença, que hipótesesuporta melhor os dados), em função de como a variabilidade está partilhada nos dados querepresentam nossas observações.Uma forma comum de fazer isto é distribuir-se a variação encontrada em tal conjuntode dados em variação provocada por um fator (efeito) e a variação não devida a este fator(ruído) (Fig. 4). Neste caso, a finalidade de um experimento é avaliar se a variaçãoprovocada pelo fator é, uma vez isolados possíveis fatores de confusão, maior do que oruído. Associado a este tipo de experimento, um teste falsificacionista compararia adistribuição de freqüências observadas com a distribuição de freqüência teórica (=hipótese):esperada no caso de que o ruído seja maior que o efeito. Um teste verificacionistacompararia a distribuição de freqüências observadas com as distribuições de freqüênciasteóricas para os dois casos possíveis: que o efeito seja maior ou vice-versa.
  • 23. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 15Repetição, pseudorepetição e confiança.Lembra do problema no final do capítulo 1? Quando um fator altera os valores denossas repetições, de modo que faz com que seu valor esteja relacionado, as repetiçõessão chamadas de pseudorepetições. Aumentar o número de repetições nos permiteaumentar nossa confiança no resultado, mas isso não acontece com as pseudorepetições,apesar de que aumentar o número de pseudorepetições pode nos dar uma falsa sensaçãode confiança.Para entender a relação entre fatores de confusão, confiança e pseudorepetição, leiao seguinte exemplo: Imagine que você quer ir “bonito(a)” a uma festa. Em que caso você sesentiria com maior confiança sobre as opiniões: depois de perguntar a sua mãe? Depois deperguntar a sua mãe, avós e tias? Depois de perguntar a um(a) colega, ou depois deperguntar a várias meninas não muito próximas? Como pode ter deduzido, perguntar a suasavós e tias depois de perguntar a sua mãe não vai trazer tanta confiança, pois é provávelque vão dizer que você está muito bonito(a). Na opinião de cada uma delas está embutido ofator de confusão “parentesco” (que, vamos lá, é importante neste caso!). Agora, se vocêpergunta a um(a) colega, e sua resposta é que você está “muito bonito(a)”, você poderiaainda pensar que “ele(a) quer te agradar”. Finalmente, se a resposta deste(a) colega)concordar com a de outros(as) colegas não relacionados(as) com ele(a), sua confiança emque você está bonito(a) aumentará muito! Cair na pseudorepetição é acreditar querepetições aumentaram nossa confiança sobre a resposta a nossa pergunta quando estas,na realidade, estão relacionadas por um fator de confusão. Busque sempre respostasindependentes para suas perguntas!Provocam pseudorepetição aqueles fatores que não fazem parte do estudo e quefazem com que os valores de nossas observações não sejam independentes entre eles.Tipos gerais de pseudo-repetição incluem: espacial= as observações tem valoresrelacionados por causa da sua posição no espaço, temporal= quando o fator que relacionaos valores das observações é o tempo, filogenética= provocada por relações de origemcomum entre as observações e técnica= quando é um elemento do equipamento ouprocedimento experimental que está relacionando os valores obtidos nas observações.Obtenha informações mais detalhadas e mais exemplos em Hulbert (1984) e Magnusson eMourão (2004).Existem outros aspectos do desenho de um experimento. Por exemplo, decidirquantas observações serão necessárias, se estas serão dispostas aleatória ousistematicamente, e como serão feitos os controles. Explicar isto está fora do tempodisponível para este módulo, mas todos estes passos são críticos para o sucesso do seutrabalho. Lhe recomendo que leia a maior quantidade de literatura possível sobre desenhoexperimental e estatística antes de começar a coletar seus dados. Comece pela tabela de
  • 24. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 16 Julho/2010Magnusson e Mourão (2004), pag. 4. Parafraseando a Peters (1987): Não fazer isto “porquevocê não teve tempo” facilmente acabará em que todo o esforço e dinheiro público investidonão sirvam para nada.
  • 25. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 17O Fim da Picada: Comunicando Ciência.Agustín Camacho GuerreroLaboratório de Herpetologiaagustin.camacho@usp.brPense por um segundo no momento no qual você terminará seu experimento. Foi umcaminho árduo: você teve que ler vários artigos que não entendia bem ou com os quais nemconcordava para levantar uma pergunta não respondida até agora. Passou tempo lendo,pensando e discutindo o projeto com outras pessoas que, às vezes, não lhe entendiam bem.Suas idéias sofreram críticas, você teve que esperar longas burocracias (licenças,solicitação de fundos) e repetir seu experimento várias vezes, resolvendo inúmerosproblemas (animais que morrem antes de obter os dados, infra-estrutura falha, falta dinheiro,segurança, etc.). Conseguiu imaginar? Com certeza você vai lembrar-se deste parágrafodepois do seu mestrado...Bom, se você não tem cuidado no que vem agora, tudo isso pode não ter servido denada. A valia dos cientistas se mede grandemente a través da qualidade e quantidade deartigos científicos que publicam. Para isto, uma grande dose de experiência é necessária.Recomendo que você a procure em seu orientador e lendo artigos nas revistas ondepretendam publicar. Assim mesmo, busque textos (Ex. referências neste capítulo, manuaisde redação de jornais científicos) e faça cursos especializados no tema. A continuação,veremos algumas dicas básicas para estruturar textos científicos. Estas dicas estãobaseadas no livro de Peters (1984), e você deve dominá-las desde o começo.Repassaremos aqui as partes de um relatório de pesquisa, as relações lógicas entre elas ealguns elementos básicos que devem conter.Partes e estrutura de um relatório de pesquisa.Um relatório de pesquisa deve ser tão claro, preciso e curto quanto seja possível.Basicamente, consta de 7 partes: título, resumo, introdução, material e métodos, resultados,discussão, agradecimentos e referências. Veja dicas úteis sobre o título, agradecimentos ereferências na tabela 1. Iremos nos estender mais nas seções de resumo, introdução,material e métodos, resultados e discussão.O resumo se compõe normalmente de um parágrafo que demonstra a relevância eos objetivos do estudo, e explica de forma sucinta os métodos empregados e os principaisresultados e conclusões.Dentro da introdução devem ficar claros: A) o problema que vamos abordar e suarelevância B) o estado da arte sobre o problema, mostrando a lacuna de conhecimento quepretendemos preencher e porque precisa ser preenchida e C) as decorrências dos possíveis
  • 26. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 18 Julho/2010resultados de nosso trabalho. Por último, os objetivos devem aparecer da forma mais clarapossível. Concretamente, em forma de hipótese a ser testada.O “material e métodos” deve conter uma explicação clara dos métodos empregadospara alcançar o objetivo declarado no fim da introdução. Desta forma, as técnicas, odesenho experimental e as análises devem aparecer explicados e justificados de forma queos leitores sejam capazes de: A) entender como alcançam o objetivo escolhido B) Repeti-loC) perceber possíveis fraquezas no delineamento. Se evitarmos mostrar claramente nossodesenho experimental pode ser que rejeitem nosso relatório na revista que o queremospublicar. Pior ainda, podemos enganar aos nossos leitores.A seção de “resultados” deve dar toda a informação necessária para respondernossa pergunta inicial e que outros possam avaliar se a respondemos mesmo ou não. Istoimplica em descrever as observações feitas, estabelecendo as relações que foramestatisticamente significativas e as que não foram. Os dados, quando numerosos, devemser apresentados em forma de tabelas. Os gráficos devem expor a parte mais importantedos nossos resultados (nossa pergunta e as observações que a respondem) e informarsempre o número de repetições. Se nos nossos resultados, os gráficos não representam aspartes de nossa pergunta, a evidência gerada para respondê-la parecerá fraca a vista dosoutros (Magnusson, 1966). Tanto tabelas quanto gráficos devem ter uma legenda curta eauto-explicativa, e serem numerados, de forma que possam ser referidos no texto. Dadosapresentados em tabelas e gráficos devem ser explicados também no texto, mas evitandoredundância.Na discussão, devemos expor como nossos resultados se relacionam com ahipótese que pretendíamos testar, reconhecendo as fraquezas que puderem comprometeros resultados. Em seguida, mostrar a consistência (ou inconsistência) dos nossos resultadoscom os resultados de outros trabalhos levantados na introdução, mostrando quais asimplicações dos nossos resultados sobre a lacuna de conhecimento levantada. Por último,este é o lugar onde se deve apontar, curtamente, futuros experimentos ou hipótesestestáveis que permitam avançar no entendimento do problema abordado.Se o relatório tem vários objetivos, estes devem seguir a mesma ordem naintrodução, material e métodos, resultados e discussão. A fim de facilitar a interpretação doleitor. Veja uma lista de verificação básica para identificar problemas em seu relatório depesquisa (Tab.1).Busque críticas, seja crítico e ajude à ciência progredir.Einstein dizia que se você não consegue explicar seu trabalho a seu avô, é porquevocê não entende bem o que está fazendo. Agora, eu digo a você que, explicandocorretamente para ele, até seu avô poderia fazer críticas imprevistas e acertadas sobre o
  • 27. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 19seu trabalho. A comunidade científica deve ajudar-se a través de visão crítica e sentidoconstrutivo.Lembre-se que em ciência, tratamos com assuntos que, via de regra, sãocomplicados. Isto faz com que todos nós cometamos erros. Para evitar erros em seuexperimento, a melhor saída é apresentar seu projeto a pessoas com visão crítica. Se estaspessoas conseguem entendê-lo perfeitamente, poderão julgar se foram convencidas ou nãopelos seus argumentos. Encontrar falhas nos aspectos do desenvolvimento lógico dotrabalho de um colega pode ser de grande ajuda para ele, antes que invista grande esforçoe dinheiro em um projeto mal planejado. Assim mesmo, podemos evitar que um trabalhoconfunda a comunidade científica através da geração de evidências ou argumentos quepermita mostrar que este está errado.Considerações finais.Terminou este capítulo que pretendia mostrar-lhe um pouquinho do que vem pelafrente. A melhor forma de enfrentar os próximos anos de preparação é você que deveplanejar. A lista de referências que segue é uma seleção da literatura que fez muitadiferença na minha própria formação (alguma delas chegou um pouco tarde). Espero quelhe ajude.
  • 28. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 20 Julho/2010Tabela 1: Lista de verificação na redação de um relatório de pesquisa.No títuloO titulo representa os elementos da sua pergunta? E o universo de estudo?Na introdução:A lacuna de conhecimento está clara?Esta se deriva logicamente do estado da arte da disciplina?Os objetivos buscam preencher esta lacuna?Os conceitos mantêm o significado ao longo do texto?Os objetivos buscam testar ou verificar uma hipótese?Nos métodos:Há pontos importantes para julgar a validade do trabalho que não foram explicados?Está claro para que serve cada seção dos métodos?As medidas realizadas e os procedimentos adotados estão claramente justificados?No caso de várias hipóteses, as análises estão redigidas na mesma ordem que osobjetivos?Nos resultados:Um gráfico de dispersão representa a resposta a nossa pergunta principal?O número de observações está claro no gráfico?Existe redundância entre a informação mostrada no texto e os dados apresentados nosgráficos e/ou tabelas?No caso de vários objetivos, os resultados foram apresentados na mesma ordem que asanálises dos métodos?Os dados mostrados permitem julgar se as análises foram feitas corretamente?Na discussãoForam discutidos problemas que possam ter interferido na resposta?Os resultados de estudos comparados com o nosso são mesmo comparáveis?As conclusões e sugestões derivam logicamente dos resultados?Mostraram-se novas hipóteses para avançar no entendimento do tema abordado?Nos reconhecimentosAs pessoas/organizações que prestaram a ajuda ou licenças mais fundamentais estãopresentes?Nas referênciasTodas as citações, e só as que estão no texto, aparecem na seção referencias?
  • 29. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 21GlossárioEtimologia: parte da gramática que estuda da história ou origem das palavras.Lei científica: relação tão demonstrada empiricamente que é assumido que sempre vai serobservada em determinadas condições.Princípio científico: pode ser considerado sinônimo de lei científicaEpistemológico: relativo ao estudo do funcionamento da ciência.Silogismos: arranjos de três proposições lógicas onde a última se deduz necessariamentedas duas anterioresInferência: conclusão, seja esta tomada sobre uma população, a partir de uma amostra damesma, ou bem tomada a partir da combinação lógica de duas premissas verdadeiras (Ex:Se as premissas de que todos os homens tem coração e que Sócrates é um homem sãoverdadeiras, então podemos inferir que Sócrates tem coração)Casos gerais e particulares: Para Aristóteles e Bacon, são duas categorias que mostramgeneralidade de aplicação de um conceito.Indução: Raciocínio ou forma de conhecimento pelo qual passamos do particular aouniversal, do especial ao geral, do conhecimento dos fatos ao conhecimento das leis.Probabilidade prévia: estimação subjetiva da probabilidade de um evento, prévia a umexperimento.Verossimilhança: Dado um conjunto de dados observados, a verossimilhança valoriza aplausibilidade de um descritor hipotético deste conjunto, sobre outro possível descritor.verossimilhança é proporcional à probabilidade de observar os dados sendo umdeterminado descritor verdadeiro.Teoria: explicação sobre um fenômeno. Para Popper, deve ser um conjunto de enunciados.Diferencia-se de lei porque a teoria não precisa ter sido demonstrada amplamente comdados empíricos.Conclusões, previsões, predições ou hipóteses: uma proposição aceitável do ponto devista de uma teoria ou um modelo, mas ainda não conferida.Modelo: tem variados significados dependendo do contexto, porém a maioria pode serconsiderada como “representação simplificada”. Dentro do processo de geração deconhecimento um modelo pode ser considerado como uma representação de relações entrevariáveis acorde com a teoria da que forma parte tal modelo.Teoria empírica: Segundo Popper, aquela teoria que pode ser testada.Tautologia: uma afirmação lógica onde as premissas são iguais à conclusão.(ex. estes animais não são aquáticos, logo eles não moram na água)Filogenia: representação de relações de parentesco entre espécies ou grupos de espécies.Caráter ancestral: característica considerada original para um grupo de espécies.Teste: prova, ensaio, exame.
  • 30. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 22 Julho/2010Tratamento: aqui tratado como manipulação.Fatores ou variáveis independentes: elemento ou circunstância que contribui a produzirum estado em uma variável influenciada por ele.Variáveis dependentes ou de interesse: variável cuja variação estamos interessados emexplicar, sendo influenciada pelos fatores.Efeito: influencia de um elemento sobre outro.Ruído: variação não devida ao fator.Pseudorepetições: observações cujos valores estão afetados por um fator de confusão.BibliografiaAldrich, J. 1997. R. A. Fisher and the Making of Maximum Likelihood 1912-1922. StatisticalScience.12;162-176.Amorim, D. S. (2002) Fundamentos de sistemática filogenética. Editora Holos, Ribeirão Preto, Brazil,154 pp.Aristóteles (350 A.C). Prior Analytics (livro 1). Trad. Por A.J. Jenkinson. Disponível em:http://ebooks.adelaide.edu.au/ (Maio 2009). 59 pp.Bayes, T. (1763) An Essay towards solving a Problem in the Doctrine of Chances. PhilosophicalTransactions of the Royal Society of London 53, 370–418.Cleveland, W. S. (1987) Graphs in scientific publications. American Statistician 38: 26-19.Francis Bacon. (1620) Novum Organum.Trad por J. Spedding (1858). Disponível em:http://en.wikisource.org/wiki/Novum_Organum (Maio 2009).Jaynes, E. T. (2003) Probability Theory: The Logic of Science. Cambridge University Press,Cambridge. Disponível em: http://www-biba.inrialpes.fr/Jaynes/prob.html (maio 2009).Lewin-Koh, N., Taper, M.L, Subhash R.L. 2004. A brief tour of statistical concepts. The nature ofscientific evidence, statistical, philosophical and empirical considerations(eds. Taper, M.L, eSubhash R.L.). The university of Chicago Press. 567p.Magnusson, W. E. (1996). How To Write Backwards. Bulletin of Ecological Society of America 77, 88-88.Magnusson, W. E.; Mourão, G. (2004) Statistics without Math. 1. ed: Editora Planta / SinauerAssociates. Londrina. 136 pp.Morris C. (1992) Academic Press Dictionary of Science & Technology. Morris Books, Escondido,California, USA. 2342 pp.Peters, R. H. (1991) A Critique for Ecology. Cambridge University Press, New York 366 pp.Popper, K. R.(1959). The logic of scientific discovery. First English edition by Hutchinson & Co. 545pp.Quinn G.P.; Keogh M.J. (2002) Experimental design and data analysis for biologists. CambridgeUniversity Press; Cambridge. 557pp.
  • 31. Método Científico Aplicado a Estudos em Fisiologia ComparativaJulho/2010 Pág. 23Huey, R. B. (1987) Reply to Stearns: Some acynical advice for graduate students. Bulletin of theEcological Society of America 68: 150-153.Scheiner, S. M.; Willig, M. R. 2008. A general theory of ecology. Theoretical_Ecology. 1:21–28.Sober, E. 2008. Evidence and Evolution: The Logic Behind the Science, Cambridge UP, 392pp.Stearns, S.C. 1987. Some modest advice for graduate students. Bulletin of the Ecological Society ofAmerica 68: 145-150.Suppes, P. 1960. A comparison of the uses and the meaings of models in mathematics and physics.Technical report Nº 33. Proceedings of the colloquium “La notion et Ie role du modele dans lessciences mathematiques, naturelles et sociales”. North Holland press.Underwood, A. J. 1997. Experiments in ecology: their logical design and interpretation under analysisof variance. Cambridge university press. 522 pp.Underwood, A. J.; Chapman M. G. e Connell. S. D. (2000) Observations in ecology: you can’t makeprogress on processes without understanding the patterns. Journal of Experimental MarineBiology and Ecology 250, 97-115.Wiens, J. J. 2008. Systematics and herpetology in the age of genomics. Bioscience 58, 297–307.
  • 32. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 24 Julho/2010
  • 33. Unidade 2Sinalização CelularMaria Nathália de Carvalho Magalhães MoraesLaboratório de Fisiologia Comparativa da Pigmentaçãonathalia.moraes@usp.brA sobrevivência dos organismos multicelulares depende de uma redeelaborada de comunicação inter e intracelular, que coordena o crescimento, adiferenciação e o metabolismo das células em diversos tecidos e órgãos. Nestemódulo, serão abordados os aspectos da evolução da multicelularidade e osmecanismos básicos da transdução de sinais, bem como a contextualização dessesmecanismos dentro de patologias, como é o caso da malária. Além disso, seráapresentada a técnica do RNAi (RNA de interferência) como ferramenta de estudopara a fisiologia, com destaque para as vias de transdução do sinal em diversosmodelos.
  • 34. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 26 Julho/2010Capítulo 5 Comunicação celular: entendendo a ritmicidade endógena pág. 27Maria Nathália C. Magalhães MoraesRevisado por Dra Ana Maria de Lauro CastrucciCapítulo 6 Fisiologia Celular do Plasmodium durante a fase assexuadapág. 41Laura Nogueira da CruzRevisado por Dra. Célia R. S. GarciaCapítulo 7 RNAi: ouvindo a voz do silêncio pág. 49Maísa CostaRevisado por Dr. Daniel Carneiro CarrettieroBibliografia pág. 66
  • 35. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 27Comunicação Celular: Entendendo a Ritmicidade EndógenaMaria Nathália de Carvalho Magalhães MoraesLaboratório de Fisiologia Comparativa da Pigmentaçãonathalia.moraes@usp.brEvolução da MulticelularidadeO grande passo obtido através da evolução da unicelularidade para apluricelularidade certamente foi a capacidade de comunicação entre as células, por meio daevolução a partir de uma única célula, a qual desempenhava todas as funções necessáriaspara o organismo, para um conjunto de células especializadas proporcionando interaçõesentre elas (Ben-Shlomo e col., 2003). Os ancestrais dos organismos multicelulares seriamsimples agregados de seres unicelulares, que formavam estruturas designadas colônias.Inicialmente todas as células da colônia desempenhavam a mesma função. Contudo, aolongo do tempo algumas das células da colônia especializaram-se em determinadasfunções. A diferenciação celular, relacionada com a função especifica acentuou-se nodecorrer da evolução, originando os verdadeiros seres multicelulares. Neste processo foramsurgindo diferentes tipos de células, que mais tarde originaram tecidos, os quais levaram aoaparecimento de órgãos. A especialização celular permitiu uma melhor utilização da energia,levando a uma diminuição da taxa metabólica, além de uma maior independência emrelação ao ambiente.Para que as células pudessem sincronizar as tarefas e perceber informações doambiente, foi necessária a especialização de células para percepção do ambiente(receptores sensoriais), centros integradores dessas informações (sistema nervoso) eefetuadores de ajustes homeostáticos (sistema muscular, endócrino e exócrino) (Isoldi eCastrucci, 2007).Para garantir o sucesso e a diversificação da vida, foi necessário o aparecimento deestruturas de ligação e principalmente de comunicação entre as diferentes células. Nosorganismos multicelulares, a manutenção da homeostase é dependente de umprocessamento continuo de informações através de uma complexa rede de células. Alémdisso, para que o organismo responda a constantes mudanças do ambiente, sinaisintracelulares devem ser transduzidos, ampliados e finalmente convertidos para umaresposta fisiológica adequada (Pires-da-Silva e Sommer, 2003). Muitos hormônios,neurotransmissores, quimiocinas, mediadores locais e estímulos sensoriais exercem seusefeitos sobre as células através de ligação a diferentes classes de receptores. Essestransdutores altamente especializados são capazes de modular a sinalização de várias viasque levam a diversas respostas biológicas (Cabrera-Vera e col., 2003). A maioria das
  • 36. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 28 Julho/2010famílias de receptores evoluiu com o advento da multicelularidade e com a necessidade deum comportamento coordenado do organismo (Ben-Shlomo e col., 2003).Alvos para ação dos mensageiros químicosOs mensageiros químicos intercelulares devem atingir células alvo, que possaminterpretar os sinais. Para que as células interpretem esses sinais devem apresentarelementos que reconheçam esses mensageiros, os chamados receptores, que mudam suaconformação quando os mensageiros se ligam a eles. A ligação mensageiro-receptor iniciauma cascata de sinalização que irá evocar a participação de diversos segundosmensageiros, ativando múltiplas vias de sinalização. Cada classe de receptor ativasegundos mensageiros específicos, os quais amplificam o sinal e desencadeiam respostasintracelulares específicas para o sinal inicial. Os princípios moleculares nos quais atransdução do sinal se baseia são representados por associações específicas de proteínase sua fosforilação ou desfosforilação, onde a fosforilação de alvos protéicos leva geralmentea mudanças imediatas em sua configuração e atividade. Deste modo, o balanço entrefosforilação e desfosforilação é determinante para a transdução do sinal intracelular. Ainda,os receptores podem evocar tipos diferentes de efeitos celulares. Alguns deles são muitorápidos em escala de milissegundos, enquanto os efeitos produzidos por hormôniosesteróides, por exemplo, ocorrem dentro de algumas horas ou dias (Fig. 1) (Rang e Dale,2007).Os mensageiros químicos extracelulares podem ser classificados de acordo com adistância que percorrerão do local de sua síntese até a célula alvo, bem como o tipo deinter-relação entre a célula produtora e a célula alvo. Os sinalizadores secretados pelaprópria célula produtora e que atuam em células adjacentes próximas são chamados deparácrinos, enquanto os sinalizadores que atuam na própria célula produtora sãoconhecidos como autócrinos, além dos sinalizadores que são lançados na correntesanguínea, cuja célula alvo encontra-se distante, os quais são chamados de hormônios. Ossinalizadores parácrinos produzidos por células nervosas são denominadosneurotransmissores, os quais são lançados na região entre neurônios, entre neurônios efibra muscular ou entre neurônios e glândula exócrina ou endócrina; essa região éconhecida como fenda sináptica. Os ligantes podem ainda ser classificados quanto à suasolubilidade, em hidrossolúveis e lipossolúveis. Os hidrossolúveis são incapazes deatravessar a membrana celular, e dessa forma, devem ser reconhecidos por receptoreslocalizados na membrana. Já os compostos lipossolúveis apresentam alta afinidade químicapela membrana podendo, portanto, atravessar a membrana e atuar dentro das células,chegando muitas vezes ao núcleo, dessa forma sendo reconhecidos por receptoresintracelulares (Isoldi e Castrucci, 2007).
  • 37. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 29Figura 1 – Relação receptor e tempo de ação. Adaptado de Rang e Dale, 2007Interação molécula-receptorExiste uma diferença importante entre agonistas e antagonistas. Agonistas eantagonistas são poderosas ferramentas que permitem a caracterização de estruturas efunções de subtipos de receptores (Squire e col, 2003). Os agonistas ativam os receptores,enquanto os antagonistas podem se combinar com os mesmos sítios, porém sem causarativação desse receptor, e dessa forma bloqueando o efeito dos agonistas. A ocupação deum receptor por uma molécula de um ligante pode ou não resultar na ativação dessereceptor. A ativação do receptor ocorre através da ligação da molécula de tal modo quedesencadeie uma resposta tecidual. A ligação e ativação representam duas etapas distintasda geração de uma resposta mediada por um receptor, que é iniciada por um agonista. Atendência de um ligante se ligar aos receptores é dada através de sua afinidade. Os ligantescom alta potência geralmente apresentam alta afinidade pelos receptores e,consequentemente, ocupam uma porcentagem significativa dos receptores, mesmo embaixas concentrações (Rang e Dale, 2007).Tipos de receptoresSegundo a estrutura molecular e a natureza do mecanismo de transmissão, osreceptores são agrupados em quatro superfamílias, a saber: (1) superfamília tipo 1 -receptores-canal (ou ionotrópicos), receptores de membrana que formam o próprio canal
  • 38. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 30 Julho/2010iônico; (2) superfamília tipo 2 - receptores acoplados à proteína G (GPCRs ou 7-TM oumetabotrópicos), receptores de membrana acoplados a sistemas efetores intracelulares pormeio de proteína G; (3) superfamília tipo 3 – receptores enzimáticos, receptores demembrana com domínio intracelular de proteína quinase (em geral, tirosina quinase,fosfatase e outras) e (4) superfamília tipo 4 - receptores reguladores da transcrição de genes(ou receptores nucleares ou receptores intracelulares), receptores solúveis no citosol (Fig.2).Figura 2 - Tipos de famílias de receptoresSuperfamília tipo 1: receptores-canalOs íons são incapazes de penetrar na bicamada lipídica da membrana celular, e sópodem atravessá-la com a ajuda de proteínas transmembrânicas na forma de canais outransportadoras. Os receptores do tipo canal são compostos por 4 ou 5 subunidades (α, β, γ,δ) combinadas para formar um canal iônico através da membrana (Fig. 3). Cada subunidadeconsiste de 4 segmentos transmembrana (TM) referidos como TM1-TM4. Na ausência deum neurotransmissor, esses canais iônicos permanecem em estado fechado e sãoimpermeáveis aos íons. A ligação do neurotransmissor induz uma rápida mudançaconformacional que abre o canal, permitindo o fluxo dos íons (Fig. 4). As mudanças nacorrente da membrana resultante da ligação do ligante ao canal ionotrópico são geralmentemensuradas numa escala de milissegundos. O fluxo iônico cessa quando o transmissor sedissocia do receptor ou quando o receptor se torna dessensibilizado (Squire e col., 2003). Oprimeiro receptor dessa família a ser clonado, foi o receptor nicotínico da acetilcolina(nAchR), o qual é usado como modelo para o estudo da estrutura dos receptoresionotrópicos. Sua estrutura pentamérica (2α, β, γ, δ) possui dois sítios de ligação àacetilcolina, cada um na interface das duas subunidades α. Para que o receptor seja
  • 39. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 31ativado, duas moléculas de acetilcolina devem se ligar a esses sítios e, dessa forma, o canalse abre quase que instantaneamente, permitindo a passagem de íons (Rang e Dale, 2007).Os canais controlados por voltagem abrem-se quando a membrana celular édespolarizada. Essa abertura (ativação) induzida pela despolarização da membrana é decurta duração, mesmo quando a despolarização é mantida. Os canais mais importantesnesse grupo são os canais seletivos para sódio, potássio e cálcio.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             Figura 3 – Estrutura do receptor canal. Figura 4 - Esquema de abertura do canal.Retirado de Squire e col., 2003. Retirado de Squire e col., 2003.Os canais controlados por ligantes são ativados através da ligação de ummensageiro químico extracelular a um sítio na molécula do canal. Os receptores desse tipocontrolam os eventos sinápticos mais rápidos do sistema nervoso. A maior parte dosneurotransmissores excitatórios, como acetilcolina, glutamato, ácido gama-amino butírico(GABA) e ATP agem dessa maneira e causam aumento na permeabilidade ao Na+e K+.Alguns canais controlados por ligantes respondem a sinais intracelulares e nãoextracelulares, tais como: (i) canais de potássio ativados por cálcio, se abrem,hiperpolarizando a célula, quando ocorre um aumento da [Ca2+]i; (ii) canais de potássiosensíveis a ATP, se abrem quando a concentração intracelular de ATP cai. Esses canaissão distintos daqueles que medeiam os efeitos excitatórios de ATP extracelular; (iii) existemainda outros canais que respondem a ligantes intracelulares, como canais de potássiosensíveis a diacilglicerol, cujas funções ainda não estão bem esclarecidas. Dependendo doíon para o qual o canal é seletivo a alteração no potencial de repouso da célula poderá atuarde forma diferente, podendo levar à despolarização celular, como é o caso de algunssubtipos de receptores de acetilcolina e glutamato, que são canais de sódio ou cálcio; oudificultando uma eventual resposta de despolarização a um estimulo excitatório, como é ocaso de GABA e glicina, que são canais de cloro (Squire e col., 2003).Os receptores canais de glutamato são responsáveis pelo fenômeno de potenciaçãode longo termo (LTP), plasticidade sináptica e neurodegeneração. O influxo de íons através
  • 40. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 32 Julho/2010do canal aberto é conseqüência da liberação de glutamato do neurônio pré-sináptico e dadespolarização da membrana do neurônio pós-sináptico, essa mudança de voltagem damembrana expele íons Mg2+que estavam bloqueando o canal, fazendo com que estepermita o influxo de cálcio e a geração de oxido nítrico e/ou espécies reativas de oxigênio(Kloda e col., 2007).Superfamília tipo 2: receptores acoplados a proteínas GOs receptores da família tipo 2 são de origem antiga, sendo os primeiros receptoresa emergirem entre os organismos unicelulares. O papel central desses receptores emorganismos multicelulares é refletido por suas divergentes estruturas e funções. A ligação domensageiro ao receptor acoplado a proteína G (GPCRs) induz uma mudançaconformacional no receptor, o qual recruta e ativa diferentes proteínas G, as quaisestimulam a geração de adenosina 3’,5’ monofosfato (AMPc), fosfoinositídeos, diacilglicerol eoutros segundos mensageiros. Em termo, esses segundos mensageiros disparam eventoscomo ativação de cascatas cinéticas e fosforilação de fatores citosólicos e transcrição defatores nucleares (Brivanlou e Darnell, 2002). Os estímulos extracelulares que ativam osGPCRs incluem luz, íons, nucleotídeos, lipídeos, esteróides, aminoácidos modificados,peptídeos e hormônios glicoprotéicos (Ben-Shlomo e col., 2003)Estrutura da proteína GA interação de hormônios, neurotransmissores ou glicoproteínas com os receptores7TM na superfície da célula induz uma mudança conformacional do receptor que ativa aproteína G – composta das subunidades α, β, γ – no interior da célula. No estágio inativoGDP liga-se à subunidade Gα. (Fig. 5). Quando a proteína G é ativada, o GDP é liberado, eo GTP liga-se à subunidade Gα e assim ocorre a dissociação do complexo Gα-GTP docomplexo Gβγ. Dessa forma tanto Gα-GTP quanto Gβγ encontram-se livres para ativar seusefetores, como por exemplo canais iônicos ou enzimas (Pierce e col., 2002). A duração dosinal é determinada pela taxa de hidrólise do GTP da subunidade Gα e subseqüentereassociação de Gα-GDP com Gβγ (Hamm, 1998). A cinética da ativação da proteína Gatravés dos GPCRs tem sido descrita recentemente. Baseado em observações de que aatividade GTPásica de proteínas G isoladas é mais baixa do que sob condições fisiológicas,postulou-se a existência de mecanismos que aceleram a atividade GTPásica. Váriosefetores tem sido apontados como promotores da atividade GTPásica da subunidade α daproteína G. Recentemente, uma família de proteínas chamadas “reguladoras da sinalizaçãoda proteína G” (proteína RGS), capaz de aumentar a atividade GTPásica da subunidade αda proteína G foi identificada (Wettschureck e Offermanns, 2005).
  • 41. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 33Classicamente, as proteínas G são divididas em quatro famílias baseadas nasimilaridade de suas subunidades α: Gαi/0, Gαs, Gαq e Gα12/13 (fig. 7) (Cabrera-Vera e col.,2003; Pierce e col., 2002). Cada família consiste de vários membros que frequentementemostram padrões de expressão específicos. Membros de uma família são estruturalmentesimilares e frequentemente compartilham algumas de suas propriedades funcionais.Figura 5 - Mecanismo de ação do receptor acoplado a proteína G. A interação do ligante exógenocom o receptor de membrana promove a ativação do receptor e sua interação com a proteína Gintracelular. O acoplamento do receptor a proteína G faz com que ocorra uma mudança de GDP paraGTP na subunidade Gα. Gα-GTP então se dissocia do complexo Gβγ e do receptor. Ambassubunidades estão livres para modular a atividade de uma grande variedade de efetoresintracelulares. O sinal é finalizado quando a γ-fosfatase do GTP é removida pela intrínseca atividadeGTPásica da subunidade Gα, levando a ligação do GDP a Gα. A reassociação de GDP com Gαcompleta o ciclo.Após ativação do receptor acoplado a proteína Gs, adenililciclase (AC) é ativada pelasubunidade α da proteína Gs passando a sintetizar AMPc, como representado na figura 6(Isoldi e Castrucci, 2008). Existem 9 tipos de adenililciclases conhecidas em mamíferos, asquais podem ser ativadas pelo complexo cálcio/calmodulina, outras inibidas por baixasconcentrações de cálcio ou por calcineurina (uma proteína fosfatase dependente de ca2+) oupela fosforilação de proteínas quinases II dependentes de Ca2+/calmodulina (CAMK II). Emalguns casos, a subunidade α da proteína G inibe a adenililciclase (Gi), promovendo assimuma diminuição dos níveis de AMPc, ou pode ainda ligar-se a canais modulando-os e dessaforma não exercendo função reguladora sobre adenililciclase (Schwartz, 2001). Para estudaras funções das proteínas Gi tem sido muito utilizada uma toxina extraída do Clostridiumbotulinum (toxina de pertússis ou PTX) a qual é capaz de ribosilar ADP dessas proteínas
  • 42. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 34 Julho/2010tornando-as incapaz de interagir com o receptor. Dessa forma o tratamento com PTX resultaem um desacoplamento do receptor com a proteína Gi (Wettschureck e Offermanns, 2005).Figura 6 – Representação esquemática da via de sinalização intracelular envolvendoadenililciclase.Depois de formado, o AMPc liga-se a proteínas quinases dependentes de AMPc(PKAs). Na sua forma inativa, a PKA é formada por duas subunidades reguladoras (R), eduas subunidades catalíticas (C). Ativação da PKA ocorre através da ligação do AMPc nassubunidades (R), e subsequente liberação da subunidade (C). Após ativação, PKA podeatuar em diferentes substratos e desencadear uma variedade de respostas. Na ausência deAMPc, a subunidade (C) volta a inibir a PKA pela reassociação com a subunidade (R). Assubunidades C livres são capazes de fosforilar o fator de transcrição CREB, levando a célulaa um aumento da transcrição de genes específicos. CREB liga-se a regiões do gene quecontêm um elemento de resposta ao AMPc (CRE) e sob fosforilação inicia a cascata deexpressão de genes (Schwartz, 2001).
  • 43. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 35Figura 7 - Representação esquemática da cascata de sinalização evocada por proteínas G. Assetas em vermelho representam inibição de um componente da via, e as setas em verde a ativação.A subunidade Giα inibe adenililciclase, promovendo a diminuição de AMPc. A subunidade Gsα aocontrario de Giα promove aumento do concentração de AMPc. A subunidade Gqα ativa a produção deDAG e IP3, e dessa forma IP3 atua em receptores do reticulo promovendo liberação do cálcio.A família da proteína Gq é uma das mais bem caracterizadas entre as proteínas G(ver fig. 8). Quando a proteína Gq é estimulada, promove a ativação da enzima fosfolipaseCβ (PLCβ). Uma vez ativada, a PLCβ promove a catálise do fosfolipídio de membrana 4,5-bisfosfato de fosfatidilinositol, gerando 1,4,5-trisfosfato de inositol (IP3) e diacilglicerol(DAG). IP3 difunde-se da membrana para o interior da célula, onde se ligará aos receptoresde IP3 (IP3R), que são canais de cálcio existentes na membrana do reticulo endoplasmáticoou sarcoplasmático. Essa ligação promove a abertura desses canais de cálcio e aconseqüente liberação dos estoques desse íon para o citoplasma. Em muitos tiposcelulares, a liberação de cálcio dos estoques intracelulares induz a abertura de canais decálcio da membrana celular, promovendo assim um influxo de cálcio do meio extracelularpara o interior da célula. O DAG permanece na membrana podendo promover ativação daproteína quinase C (PKC) desencadeando assim uma cascata de fosforilação, ou ainda,podendo ser clivado, gerando ácido araquidônico, o qual dá inicio à via de síntese deeicosanóides como as prostaglandinas (Isoldi e Castrucci, 2007).
  • 44. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 36 Julho/2010Figura 8 – Representação esquemática da via de sinalização intracelular envolvendo aparticipação da fosfolipase C.Existe ainda uma superfamília de proteínas G, referidas como proteínas Gmonoméricas (são formadas somente pela subunidade α), ou Ras. Essas proteínas Rasestão envolvidas em uma variedade de processos celulares, incluindo proliferação,diferenciação, migração, maturação e apoptose. A ativação de Ras sob estimulação deGPCRs e receptores de fatores de crescimento é regulada pela mudança do fatornucleotídeo de guanina, o qual estimula uma mudança na atividade de GDP/GTP resultandona ligação do GTP em seu estado ativo à proteína (Schaafsma e col., 2008). As proteínasRas processam sinais vindos de receptores tirosina quinase e GPCRs, para o interior dascélulas, afetando a transcrição gênica (Schenk e Snaar-Jakelska, 1999).Superfamília do tipo 3: receptores enzimáticosSão encontrados quatro receptores com diferentes domínios enzimáticos: tirosinaquinase, serina/treonina quinase, tirosina fosfatase, guanililciclase. Os receptores do tiposerina/treonina apresentam como ligante o fator de crescimento transformante beta (TGFβ).Esses receptores se apresentam em dois sub-tipos, os receptores do tipo I e II, os quais sãoclassificados de acordo com suas propriedades estruturais e funcionais. O domíniocitoplasmático do receptor tipo II é constitutivamente ativo e este fosforila o receptor tipo Iem resíduos serina e treonina em resposta à ligação do mensageiro extracelular. O receptortipo I ativado tradicionalmente fosforila proteínas SMAD citoplasmáticas, dessa formaativando a transdução do sinal para o núcleo. As proteínas SMAD ligam-se ao DNAreprimindo ou estimulando a transcrição de genes e, desse modo, essa cascata de
  • 45. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 37sinalização de TGF-β pode representar um papel chave na patogênese de várias doençasincluindo o câncer (Wright e col., 2009).As proteínas tirosina quinase foram identificadas em 1980 como as maioresrepresentantes no câncer resultando na investigação desses receptores como alvosterapêuticos. (Levitzki, 2003). Receptores tirosina quinase (RTK) são glicoproteínastransmembrânicas que são ativados pela ligação de ligantes cognatos e transduzem o sinalextracelular para o citoplasma através da fosforilação do resíduo de tirosina no próprioreceptor (autofosforilação) (Hubbard e Till, 2000). Os RTKs ativam numerosas vias desinalização dentro da célula, levando a proliferação, diferenciação, migração, ou mudançasmetabólicas. A família dos RTKs inclui os receptores de insulina e muitos fatores decrescimento, tais como fator de crescimento epidérmico (EGF), fator de crescimento defibroblasto (FGF), fator de crescimento derivado de plaqueta (PDGF), fator de crescimentoendotelial vascular (VEGF). Os RTKs consistem de uma porção extracelular que se liga aosligantes polipeptídicos, uma hélice transmembrânica e uma porção citoplasmática quepossui tirosina quinase com atividade catalítica (Fig. 9). A grande maioria de RTKs émonomérica e dimeriza-se na presença do ligante. A ativação do receptor pelo ligante leva àativação da porção quinásica do receptor, resultando em autofosforilação e fosforilação desubstratos SHC, o que culmina com a ativação da proteína G monomérica Ras. Nas vias desinalização de receptores monoméricos, a cascata de MAP quinases (MAPK) é recrutada,resultando na ativação de fatores de transcrição como CREB, c-Fos e Elk-1, envolvidos natranscrição de genes relacionados à proliferação celular. Em adição aos RTKs, existe umaampla família de tirosina quinases citosólicas não receptoras (NRTKs), as quais incluem Src,Janus Kinases (Jaks), Ab1 (Fig 10). Os NRTKs são componentes das cascatas desinalização disparadas por RTKs e por outros receptores de superfície como receptoresacoplados a proteína G e receptores do sistema imunológico (Hubbard e Till, 2000).Em contrapartida, os receptores tirosina fosfatase, quando ativados por ligantes,desfosforilam proteínas celulares. Esses receptores têm sido implicados na angiogênese ena adesão celular (Isoldi e Castrucci, 2007).Os receptores guanililciclases (GC) são ativados por um hormônio peptídicodenominado peptídeo atrial natriurético (ANP), o qual possui um importante papel naregulação da homeostase cardiovascular, através da manutenção da pressão arterial. Asações dos peptídeos natriuréticos são mediadas por sua ligação a três tipos de receptores.Os receptores NPR A e B (receptor peptídico natriurético A e B) são guanililciclases queaumentam a concentração intracelular de GMPc e ativam proteínas quinases dependentesde GMPc. A ativação dos receptores NPRC resulta na inibição da atividade da adenililciclase(Woodard e Rosado, 2008)
  • 46. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 38 Julho/2010Figura 9 – Receptores tirosina quinase. Via de sinalização envolvendo a participação das MAPquinase.Figura 10 – Via de sinalização dos receptores tirosina quinase, envolvendo a participação dastirosinas quinases citosólicas.
  • 47. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 39Superfamília do tipo 4: receptores reguladores da transcrição de genesA família de receptores reguladores da transcrição de genes ou receptores nucleares(NR) compreende fatores de transcrição de uma grande família de genes, incluindoreceptores de hormônio da tireóide (TH), esteróides, retinóides, vitamina D, colesterol entreoutros. Os receptores nucleares são bem difundidos e representam importante papel nodesenvolvimento, metabolismo, homeostase e doenças (Togash e col., 2005). A ativaçãodos receptores nucleares ocorre através de ligantes lipofílicos, fosforilação e interação comoutras proteínas. Estes podem ativar ou reprimir genes alvos pela ligação direta ao elementoresponsivo ao DNA como homo- ou hetero-dímeros ou pela ligação de outras classes defatores de transcrição ligados ao DNA. Essa atividade tem sido relacionada à formação decomplexos com moléculas que parecem servir como co-ativadoras ou co-repressoras,causando modificação local da estrutura da cromatina para regular a expressão dessesgenes alvo (Hart, 2002).Os receptores nucleares representam uma classe evolutiva altamente conservada defatores de transcrição em mamíferos, e podem ser classificados de acordo com o tipo dehormônio que se liga a eles. Desse modo os receptores são divididos em: esteróides(glicocorticóides, mineralocorticóides, andrógenos e estrógeno), derivados de esteróides(vitamina D3), não esteróides (hormônios da tireóide, retinóides, prostaglandinas) ereceptores para os quais não foi encontrado ainda um ligante específico (receptores órfãos).A diferente classificação é baseada no modo de ligação ao elemento responsivo ao DNA, eassim são classificados dentro de quatro grupos, dependendo de sua habilidade para seligar à sequência de DNA e dimerizar: (1) os receptores esteróides são associados com aproteína de choque térmico (“shock heat” hsps). A ligação do hormônio leva a mudançaconformacional, dissociação da proteína hsps e ligação a sequências do DNA como homo-dímeros. Deste modo o papel do hormônio é induzir a ligação ao DNA; (2) a segunda classerepresenta os receptores tais como hormônios da tireóide, retinóides, prostaglandinas evitamina D3. Membros dessa classe são ligados ao DNA na ausência do hormônio. Aligação do ligante ao receptor leva a mudança conformacional do domínio de ligação aohormônio e conseqüente ativação transcricional. Os receptores dessa classe sãopredominantemente ligados ao DNA como hetero-dímeros; (3) os receptores órfãos quepodem se ligar ao DNA como formas monoméricas; (4) ou como dímeros (Tenbaum eBaniahmad, 1997).Em geral, os receptores nucleares possuem em comum três domínios: um variáveldomínio amino-terminal de ligação ao promotor, um domínio de ligação ao DNA altamenteconservado (DBD), e um domínio c-terminal menos conservado, de ligação ao ligante (LBD),como apresentado na figura 11 (Ribeiro e col., 1995). O motivo de ligação ao DNA é
  • 48. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 40 Julho/2010essencial para o reconhecimento do elemento responsivo pelo receptor. O motivo de ligaçãoconsiste de 66 aminoácidos contendo dois motivos em dedos de zinco. Quatro resíduos decisteína altamente conservados são requeridos para coordenar a ligação dos íons Zn2+(Ribeiro e col., 1995; Tenbaum e Baniahmad, 1997). O LBD confere especificidade naligação ao ligante e possui um número de funções reguladas por essa ligação. Essasfunções incluem a liberação do receptor do complexo hsps, translocação para o núcleo,homodimerização, heterodimerizção e ativação transcricional (Ribeiro e col., 1995).Figura 11 – Estrutura dos receptores nucleares. O esquema apresenta os diferentes domínios dosreceptores nucleares. Modificado de Rang e Dale, 2007.
  • 49. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 41Fisiologia Celular do Plasmodium durante a fase assexuadaLaura Nogueira da CruzLaboratório de Fisiologia Celular e Molecular do Plasmodiumlaurancruz@gmail.comMaláriaMalária é uma das mais importantes infecções por protozoários no mundo causandomorte de mais de 2 milhões de pessoas anualmente (Who, 2005). A Africa subsaarianaconcentra 90% dos casos, no entanto mais de 40% da população mundial está sob risco dadoença, principalmente os habitantes das regiões tropicais e subtropicais do globo (Fig. 1)onde ocorre a distribuição geográfica do mosquito do gênero Anopheles (A. darling, no Brasile A. gambiae, na África), que transmite as espécies infectantes humanas P. falciparum, P.malariae, P. vivax e P. ovale, sendo as três primeiras espécies encontradas no Brasil.P. falciparum é o parasita que mais causa morte por malária no mundo ocorrendo emmaior incidência na África. No Brasil, a maioria dos casos é de P. vivax (Who, 2005).É importante lembrar que a malária pode ser muito mais antiga que a humanidade eexistem quase 100 espécies de plasmódios, 22 dos quais infectam macacos e 50 parasitamaves ou répteis (que tiveram seu apogeu nos períodos Permiano e Triássico, quando osinsetos hematófagos já existiam).Plasmódios de roedores e aves são freqüentemente utilizados, no laboratório, comomodelos experimentais. Entender a complexa biologia do parasita é fundamental para odesenho de novas e mais eficientes drogas e desenvolver novas estratégias para combatera epidemia.Figura 1: Potencial mundial de transmissão de malária.(Fonte : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Malaria_geographic_distribution_2003.png)
  • 50. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 42 Julho/2010Combate à maláriaNos últimos cinqüenta anos muitas pesquisas foram realizadas fomentando odesenvolvimento de drogas sintéticas antimalaricas. A mais importante dessas foi acloroquina que possui baixa toxicidade, baixo custo e necessidade de ser aplicada apenasuma vez por semana. Atualmente, no entanto, um grande problema no combate à maláriadeve-se ao aumento da resistência dos parasitas a cloroquina, derivados de cloroquina e agrande maioria de antimaláricos introduzidos (Olliaro e col., 1996). Para inibir oaparecimento de resistência a WHO recomenda que o tratamento utilize pelo menos ocombinado de 2 anti-maláricos.A incidência da malária, no Brasil, por exemplo, aumentou cerca de 10 vezes nosúltimos 30 anos, sendo que hoje 99% desses casos ocorrem na Amazônia Legal (FNS,2002), área endêmica do país, composta pelos estados do Acre, Amapá, Amazonas,Maranhão, Mato Grosso, Pará, Rondônia, Roraima e Tocantins. Nos Estados fora daAmazônia Legal, o risco de transmissão local é pequeno ou inexistente e a quase totalidadedos casos de malária registrada é importada da Amazônia Legal ou de outros países,principalmente da ÁfricaLimitações da quimioterapia no controle da malária demonstram a necessidade denovas drogas, preferencialmente contra novos alvos (McKerrow e col., 1993; Rosenthal,1998), pois apesar de todas as pesquisas e informações adicionais o número de casos demalária vem aumentando e uma vacina eficiente provavelmente não estará disponível nofuturo próximo (Hoffman, 1996). Além disso, os esforços para controlar o mosquitoAnopheles tiveram pouco sucesso (Alonso, 1991).Atualmente o que pode ser feito são medidas de profilaxias para pessoas que sedirigem a áreas de maior transmissão. O regime profilático consiste em prescrição médicados medicamentos antimaláricos de acordo com as espécies de Plasmodium predominantes,grau de risco da infecção da área de destino, perfil de resistência ás drogas e avaliação dosefeitos colaterais associados ao uso das mesmas (Farias, 2005)A quimioprofilaxia deve ser iniciada uma semana antes da viagem, para avaliaçãodos efeitos colaterais, e prolongada por quatro semanas após a saída da área endêmica, afim de sustentar a ausência dos parasitas na corrente sangüínea, mesmo após a suatransição pelo estágio hepático, período de incubação que pode levar á formação de formaslatentes do parasita, responsáveis por recaídas. Contudo, apesar das medidas preventivas,febre no período de dois meses após o curso da quimioprofilaxia ainda pode ser originadapela infecção. Outro propósito da profilaxia se estender por um tempo depois da visita a áreade risco é para evitar que se importe doença para a origem do viajante.
  • 51. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 43Trabalhos recentes mostram que o controle com telas mosquiteiras impregnadas cominseticida ajuda no combate da malaria. (Chouaibou e col., 2006). A malaria caiu na décadade 50 pelo esforço combinado da cloroquina e do DTT, que combatia o mosquito!Ciclo de vidaO Plasmodium é um parasita eucarioto unicelular, de vida intracelular obrigatória, quemede 1,6 X 1,0 uM e pertence ao filo Apicomplexa. Possui um ciclo de vida caracterizadopela sucessão de várias formas especializadas de desenvolvimentoEm vertebrados, a infecção se inicia pela picada do mosquito Anopheles, fêmea, queretira 3 a 4 microlitros de sangue, enquanto injeta saliva contendo alguns esporozoitos. Umavez na corrente sanguínea, os esporozoitos invadem os hepatócitos e se desenvolvem parao estágio assexuado de merozoito. Durante este período a infecção é assintomática e cadaesporozoito forma 30,000 merozoitos. Estes são liberados diretamente na correntesangüínea e invadem os eritrócitos (Sturn e col., 2006). Na corrente sangüínea amadurecempassando pelos estágios de anel, trofozoito e esquizonte. Por um processo aindadesconhecido, alguns merozoitos não invadem os eritrócitos e se diferenciam emgametócitos, a forma infectante do mosquito (Garcia, 2001).Para o fechamento do ciclo, o mosquito – onde ocorre o ciclo sexual do parasita -terá que picar o vertebrado que tem gametocitos presentes na circulação. Estes, após ociclo no mosquito formarão os esporozoitos que migrarão até a glândula salivar e serãotransmitidos ao hospedeiro vertebrado (Fig. 2).Figura 2: Ciclo de vida da malária (Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Malaria).
  • 52. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 44 Julho/2010O ciclo intraeritrocítico é, portanto, o responsável por toda manifestação clínica namalária, sendo na ruptura do eritrócito infectado e conseqüente liberação do parasita parainfecção de novas células que ocorrem febre e tremedeira, típicas da doença (Hawking,1970). Dependendo da espécie de parasita, estes sintomas ocorrem em intervalos distintos –3 ou 4 dias para P. falciparum e P. vivax, respectivamente (Garcia, e col., 2001) (Tab. 1).Função da melatoninaA transição do estágio intraeritrocítico, bem como o processo de invasão in vivo e aprodução de gametócitos são processos altamente sincronizados (Garcia, 2001) e namaioria mamíferos estudados seguem ciclos múltiplos de 24h (Tab. 1)Tabela 1- Período do ciclo intraeritrocítio de diversasespécies de Plasmodium (Modificado de Garcia, e col., 2001).Parasita Hospedeiro vertebrado Período do ciclointraeritrocíticoP. knowlesi primata 24hP. cathemerium pássaro 24hP. vinckei roedor 24hP. chabaudi roedor 24hP. berghei roedor 24hP. yoelii roedor 18hP. gallinaceum galinha 36hP. falciparm homem 48hP. vivax Homem 48hP. cynomolgi Primata 48hP. coatneyi Primata 48hP. malariae Homem 72hP. inui Pássaro 72hP. brasilianum Primata 72hNo caso do desenvolvimento intraeritrocítico do Plasmodium, os processos de divisãocelular e expressão gênica específicas de cada estágio são de extrema importância. Foidemonstrado por Hotta e col., (2000) que o hormônio melatonina é capaz de sincronizar odesenvolvimento do Plasmodium in vivo e in vitro. Quando se mantém parasitas em cultura,
  • 53. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 45a sincronia é perdida, um dos fenômenos que sugeriram que o hospedeiro tem papelfundamental no estabelecimento do ritmo. (Hotta e col., 2000).A melatonina tem um largo espectro de atuação (vertebrados, plantas e protozoários)podendo ser sintetizada em vários tecidos, porém sua síntese rítmica é confinadaprimariamente à glândula pineal. Este hormônio é sintetizado a partir de serotonina, que estápresente em grande quantidade na glândula pineal.É interessante observar ainda que os precursores da melatonina, que são deviradosdo triptofano, têm o mesmo efeito da melatonina tanto no ciclo celular do Plasmodium quantona mobilização de Ca2+de estoques intracelulares (Beraldo e col., 2005).Hotta e col., (2000) consideram que a melatonina é capaz de ativar a cascata dafosfolipase C que, por sua vez, ativa a via de inositol 1,4,5-triposfato (IP3) e libera Ca2+doretículo endoplasmático (RE), nos estágios trofozoitos do Plasmodium.Homeostasia e sinalização por cálcioVariações na concentração de cálcio intracelular exercem papel fundamental emmuitos processos biológicos de células eucarióticas, como organização do citoesqueleto,divisão e diferenciação celular (Berridge, 2003).As células eucarióticas possuem mecanismos para manter a homeostasia de Ca2+estes incluem uma bomba de cálcio na membrana plasmática, no retículo endoplasmáticoalém de trocadores em organelas intracelulares e na membrana plasmática (Passos eGarcia, 1997; Garcia e col., 1998).Especificamente, para o parasita da malária foi demonstrado a existência de 2compartimentos de Ca2+: um é o clássico retículo endoplasmatico (Passos and Garcia, 1997,Varoti e col., 2003) e o outro é um compartimento ácido (Garcia e col., 1998, Varotti e col.,2003).Sabe-se que para Plasmodium falciparum o Ca2+extracelular é indispensável noprocesso de invasão do eritrócito pelo parasita e estudos fisiológicos mostram envolvimentoda sinalização de Ca2+no processo de maturação do parasita. (Garcia, 1999, Gazarini e col.,2003).Como qualquer célula eucariótica, o citoplasma do eritrócito possui baixaconcentração de cálcio (menor que 100 nM ), sendo que o ambiente extracelular encontradopela maior parte das células eucarióticas situa-se ao redor de 1 mM. A ausência de Ca2+extracelular é normalmente incompatível com as funções normais da célula e suasobrevivência.Dentro deste contexto, nosso laboratório demonstrou que o parasita resolve oproblema de pouco Ca2+no meio em que sobrevive, através da invaginação da membranacitoplasmática do eritrócito, pois no momento da infecção forma o vacúolo parasitóforo (VP)
  • 54. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 46 Julho/2010e inverte a polaridade da Ca2+ATPase da membrana (bombeando ativamente Ca2+para ointerior do VP). Desta forma pode manter o ambiente de alta concentração de Ca2+necessário ao desenvolvimento do parasita (Gazarini e col., 2003).Enzimas proteolíticasEnzimas proteolíticas possuem um importante papel no ciclo de vida de todos osprotozoários medicamente importantes como leshmania, toxoplasma, giardia e plasmodium(Rosenthal,1999).Várias proteases de protozoários foram identificadas e caracterizadas sendoutilizadas pelos protozoários em diferentes funções tais como: invasão de células e tecidosdo hospedeiro, degradação de mediadores da resposta imune e hidrólise de proteínas parasuprir necessidades nutricionais do parasita (Rosenthal,1999).As proteases podem ser classificadas em quatro classes (Neurath 1989; Barrett,1994), sendo três delas (serine, cisteina e aspartil proteases), assim denominadas pelaexistência de sítio de aminoácido chave e a metaloprotease , pela necessidade do íonmetálico para catálise.Sabe-se ainda que para a invasão dos eritrócitos por merozoitos e ruptura pelosesquizontes maduros, são necessárias proteases do parasita, pois durante estes eventosproteínas do citoesqueleto do eritrócito precisam ser hidrolizadas e algumas proteínas doparasita são proteolicamente processadas (Klemba, 2002).Outra importante função das proteases inclui a degradação da hemoglobina que éutilizada como uma fonte de amino ácido livre pelo parasita (Scheibel e Sherman, 1988).O conteúdo da hemoglobina em eritrócitos infectados diminui 25-75% durante o ciclode vida do parasita eritrocítico (Ball e col., 1948; Groman, 1951; Roth e col., 1986), aconcentração de aminoácido livre é maior nos eritrócitos infectados do que nos nãoinfectados e a composição dos aminoácidos de eritrócitos infectados é semelhante àcomposição de aminoácidos da hemoglobina.Peptídeos fluorescente para determinar atividade de proteasesRecentemente foram desenvolvidos peptídeos sintéticos, com seqüências específicasde aminoácido capazes de penetrar na célula e emitir fluorescência quando clivado pelaprotease (Fig. 3). Dependendo da especificidade da seqüência peptídica e das proteasespode-se então determinar atividades e funções proteolíticas.Em estudos realizados com P. chabaudi utilizou-se este quelante internofluorescente de peptídeos (IQF) e microscopia confocal para demonstrar-se que
  • 55. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 47melatonina induz atividade das thiol protease em uma forma cálcio-dependente(Farias et al, 2005).Estas proteases estão localizadas predominantemente no citoplasma doparasita e sua atividade pode também ser induzida por agentes que aumentam ocálcio citosolico como tapsigardina (inibidor específico da Ca2+ATPase do retículoendoplasmático), nigericina (ionóforo K+/H+) e ionomicina (ionóforo Ca2+/H+) (Fariaset al, 2005).Figura 3: Representação esquemática do mecanismo de funcionamento dossubstratos quelante interno fluorescente de peptídeos (IQF).(Modificado de Carmonaet al, 2009).
  • 56. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 48 Julho/2010
  • 57. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 49RNAi: ouvindo a voz do silêncioMaísa CostaLaboratório de Neurotransmissão e Regulação da Pressão Arterialmaisa.bio@hotmail.comIntroduçãoO termo “silenciamento gênico” refere-se a uma série de mecanismos por meio dosquais a expressão de um ou mais genes é regulada negativamente. O silenciamento éconsiderado uma modificação epigenética. Modificações epigenéticas na expressão gênicasão características herdáveis que não podem ser explicadas por alterações na seqüência deDNA, e que podem resultar na repressão (silenciamento gênico) ou ativação (ativaçãogênica) da expressão do gene (Vaucheret e col., 2001). Até o final da década de 1980,somente modificações na estrutura da cromatina ou de proteínas eram classificadas comoepigenéticas (Lewin, 1998). Entretanto, durante a década de 1990, um grande número defenômenos de silenciamento gênico que ocorriam em nível transcricional e pós-transcricional foram descritos em plantas, fungos, animais e protozoários, introduzindo oconceito de silenciamento de RNA (RNA silencing) (Baulcombe, 2000; Matzke e col., 2001).Logo após os primeiros estudos com plantas transgênicas resistentes a vírus (Lindbo& Dougherty, 1992), percebeu-se que o silenciamento de RNA representava um sistemaancestral de defesa contra vírus e retrotransposons (Lindbo e col., 1993b). Atualmente,sabe-se que este constitui também um mecanismo eficiente de regulação gênica, que atuaprincipalmente no controle de genes envolvidos no desenvolvimento do organismo e namanutenção da integridade do genoma (Denli & Hannon, 2003). O componente unificadordos diferentes processos de silenciamento de RNA já estudados em diversos organismos éo RNA de fita dupla (dsRNA). A presença desse tipo de molécula pode induzir a degradaçãode RNAs mensageiros (mRNA) homólogos, um processo conhecido como silenciamentogênico pós-transcricional (posttranscriptional gene silencing, PTGS) em plantas e RNA-interferência (RNA interference, RNAi) em animais. Componentes da maquinaria de PTGS eRNAi também estão envolvidos no processamento e funcionamento de microRNAs, umaclasse de pequenos RNAs com função regulatória, que foram originalmente identificadoscomo responsáveis pela repressão da tradução em Chaenorhabditis elegans (Hutvagner ecol., 2000). Descobertas recentes sugerem que o silenciamento de RNA está envolvidoem vários tipos de modificações genômicas e de cromatina, incluindo metilação do DNAgenômico (Wassenegger e col., 1994), formação de heterocromatina (Kennerdell e col.,2002) e eliminação de DNA (Mochizuki e Gorovsky, 2004a). Estas descobertas indicam queos mecanismos de silenciamento de RNA controlam a expressão a nível transcricional e
  • 58. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 50 Julho/2010pós-transcricional, e que a maquinaria de silenciamento pode operar nos compartimentosnuclear e citoplasmático.Apesar de algumas diferenças nos mecanismos, similaridades evidentes sugeremque o silenciamento de RNA constitui um sistema conservado entre diferentes organismos.A clonagem e caracterização de diversos genes que codificam componentes do sistema emArabidopsis thaliana, C. elegans, Drosophila melanogaster, Neurospora crassa,Schizosaccharomyces pombe, Tetrahymena thermophila, camundongos e humanos,apóiam essa hipótese (Denli & Hannon, 2003). Entretanto, o mecanismo apresentaparticularidades em cada um desses organismos, conforme verificado pela identificação decomponentes específicos ou que não estão presentes em todos eles.HistóricoO fenômeno, atualmente denominado silenciamento de RNA, foi observado pelaprimeira vez em plantas transgênicas por dois grupos independentes de pesquisadores(Napoli e col., 1990; Van Der Krol e col., 1990). Estes pesquisadores tinham como objetivocriar petúnias transgênicas, cujas flores apresentassem uma coloração mais intensa. Aestratégia escolhida consistia em superexpressar o gene que codifica a chalcone sintase(CHS), uma enzima chave na biossíntese de antocianinas. Para isso foi introduzida umacópia extra do gene Chs sob controle do promotor 35S do Cauliflower mosaic virus (CaMV).Entretanto, ao contrário do esperado, as diferentes linhagens transgênicas obtidas possuíampadrões distintos de variegação floral, incluindo linhagens que apresentavam florestotalmente brancas, ou seja, sem pigmento. A análise molecular das linhagens transgênicascomprovou que a introdução da cópia extra havia efetivamente bloqueado a biossíntese deantocianinas, inibindo, simultaneamente, a expressão do gene endógeno pré-existente e dacópia introduzida. A inibição da pigmentação das flores foi diretamente correlacionada comuma redução específica no acúmulo de mRNA do gene Chs. O fenômeno foi denominadoco-supressão, pois a introdução de um transgene levou ao silenciamento simultâneo dopróprio transgene e do gene endógeno homólogo (Napoli e col., 1990; Van Der Krol e col.,1990). Fenômeno semelhante foi relatado no fungo N. crassa, no qual foi denominadoquelling (Cogoni e col., 1996; Romano & Macino, 1992), e em animais (Drosophila e C.elegans), nos quais foi denominado RNAi (Fire e col., 1998).Alguns anos após a descrição da co-supressão, um fenômeno semelhante foiobservado por pesquisadores que tentavam engenheirar plantas transgênicas resistentes avírus. Plantas de tabaco foram transformadas com o gene que codifica a proteína capsidialdo potyvírus Tobacco etch virus (TEV) (Goodwin e col., 1996; Lindbo e Dougherty, 1992;Lindbo e col., 1993b) ou a replicase do potexvírus Potato X virus (PVX) (Mueller e col.,1995). Em ambos os casos, esperava-se que o excesso de proteína viral afetaria a
  • 59. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 51replicação do vírus, interrompendo o seu ciclo de infecção. A princípio, observou-se quealgumas linhagens transgênicas apresentavam-se resistentes e outras não. Curiosamente,as linhagens resistentes eram aquelas cujas plantas não produziam, ou produziam empequena quantidade, os RNA mensageiros (mRNAs) e as proteínas virais, enquanto naslinhagens suscetíveis as plantas expressavam grande quantidade de mRNA e proteínatransgênicos (Goodwin e col., 1996; Mueller e col., 1995). A análise da taxa de transcriçãodos transgenes em plantas resistentes e suscetíveis comprovou que a introdução dostransgenes virais conferia resistência por meio do silenciamento gênico postranscricional deseqüências homólogas (Mueller e col., 1995).A replicação de vírus com genoma de RNA também pode disparar eficientemente omecanismo de silenciamento. A indução de PTGS por vírus foi confirmada com aobservação de que genes endógenos ou transgenes eram silenciados após a infecção comvírus recombinantes contendo parte da seqüência do gene ou transgene. O mecanismo deindução de silenciamento por meio da replicação de vírus foi denominado virus-inducedgene silencing (VIGS) (Kjemtrup e col., 1998; Kumagai e col., 1995; Ratcliff e col., 2001;Ruiz e col., 1998).A primeira evidência direta de que dsRNA pode levar ao silenciamento foi obtida emC. elegans. Utilizando a técnica de expressão de moléculas anti-senso para inibir aexpressão gênica, foi demonstrado que moléculas com polaridade senso eram tão eficientespara a inibição quanto moléculas com polaridade anti-senso (Guo & Kemphues, 1995). Oparadoxo foi resolvido quando se demonstrou que o dsRNA é o indutor de silenciamento, eque o silenciamento nos experimentos com moléculas senso fita simples era devido àpresença de uma pequena quantidade de dsRNA contaminante nas preparações in vitro deRNA fita simples (Fire e col., 1998; Montgomery e Fire, 1998).A especificidade do mecanismo de silenciamento de RNA foi explicada com aidentificação de pequenos RNAs de 21-25 nucleotídeos (nt), de orientação senso e anti-senso, que apresentavam homologia com o RNA silenciado e que estão associados aoprocesso (Hamilton e Baulcombe, 1999).Esses pequenos RNAs, atualmente denominados small interfering RNAs (siRNAs),foram primeiramente observados em plantas, sob diferentes sistemas de indução desilenciamento (introdução de um transgene com homologia a um gene endógeno, introduçãode um transgene sem homologia com gene endógeno, e VIGS) (Hamilton e Baulcombe,1999). Além de explicar a especificidade do sistema, o acúmulo de siRNAs em ambas asorientações sugeriu que a formação de dsRNA ocorre antes da degradação do mRNA.Estudos adicionais em Drosophila demonstraram que os siRNAs são resultado da clivagemde dsRNA injetado na célula, e que servem como “guia” para direcionar a degradação demRNAs homólogos (Bernstein e col., 2001; Zamore e col., 2000). Oligonucleotídeos
  • 60. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 52 Julho/2010sintéticos de 21 a 25 nt foram suficientes para induzir RNAi in vitro (Elbashir e col., 2001a) ein vivo (Elbashir e col., 2001b), na ausência de dsRNA.A geração dos siRNAs a partir de dsRNA foi elucidada em trabalhos comDrosophila, onde uma ribonuclease do tipo RNAse III (endonuclease com afinidade pordsRNA) foi parcialmente purificada em associação a fragmentos de RNA deaproximadamente 25 nt, cuja seqüência correspondia à de dsRNA de indivíduos nos quaisRNAi encontrava-se ativo (Hammond e col., 2000). Essa RNAse III, denominada “Dicer”,produz siRNAs a partir de moléculas relativamente curtas de dsRNA (aprox. 250 nt) em umprocesso dependente de ATP, e os siRNAs servem como guia para a degradação demRNAs homólogos em um complexo ribonucleoprotéico denominado RISC (RNA inducedsilencing complex) (Bernstein e col., 2001; Hammond e col., 2000). A enzima Dicer éconservada evolutivamente, com homólogos presentes em fungos, plantas e animaissuperiores. A conservação funcional desta família de proteínas e seu requerimento paraRNAi veio com a demonstração de que Dicer de humanos também cliva dsRNAs em siRNAs(Bernstein e col., 2001) e que mutantes de C. elegans em ortólogos a Dicer (DCR-1) nãoativam o sistema de RNAi induzido por dsRNA (Grishok e col., 2001; Ketting e col., 2001;Knight e Bass, 2001).A caracterização do complexo RISC foi iniciada em Drosophila com a identificaçãoda proteína AGO2, pertencente à família de proteínas Argonauta (Hammond e col., 2001).AGO2 foi co-purificada com o RISC e co-imunoprecipitada com Dicer. Estudossubseqüentes demonstraram que proteínas Argonauta também são componentes do RISCem mamíferos, fungos, nematóides, protozoários e plantas (Carmell e Hannon, 2004;Martinez e col., 2002). Recentemente, foi demonstrado que AGO2 de humanos possuiatividade de RNase III, consistindo provavelmente na proteína Slicer, que media a clivagemdo mRNA alvo após sua associação ao siRNA no complexo RISC (Liu e col., 2004; Meistere col., 2004; Okamura e col., 2004). A existência de um fator difusível dominante envolvidona sinalização sistêmica do silenciamento foi demonstrada inicialmente em N. crassa(Cogoni e col., 1996). Heterocárions contendo núcleos apresentando genes silenciados enão silenciados exibiam o fenótipo silenciado. Analogamente, em C. elegans, RNAi podeser disparado em todo o organismo injetando-se dsRNA na cavidade bucal ou por meio daingestão de bactérias expressando dsRNA (Timmons e col., 2001). Este fator é dominante,pois em cruzamentos entre indivíduos silenciados ou não, toda a progênie é silenciada(Grishok e col., 2001). Em plantas, PTGS foi transmitido com 100 % de eficiência a partir deporta-enxertos silenciados a enxertos não silenciados contendo o transgene homólogo, masnão a enxertos que não possuíam o transgene homólogo, indicando que o sinal é específicoem termos de seqüência (Palauqui e col., 1997). A natureza deste sinal sistêmico ainda nãoestá totalmente esclarecida. Inicialmente foi proposto que, devido à especificidade de
  • 61. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 53seqüência, este fator seria pelo menos em parte, um RNA (Vaucheret e Fagard, 2001).Recentemente, a análise bioquímica de extrato de floema de abóbora levou à caracterizaçãode uma proteína que se liga seletivamente a pequenos RNAs de fita simples (Cucurbitamaxima phloem small RNA binding protein 1 - CmPSRP1). Estudos de microinjeçãoforneceram evidências de que CmPRSP1 pode mediar o movimento de pequenos RNAs de25 nt fita simples, mas não de moléculas de RNA fita dupla, apoiando a hipótese de que osinal sistêmico contém uma proteína de ligação a pequenos RNAs (mas nãonecessariamente siRNAs) (Yoo e col., 2004).Evidências sobre o envolvimento da maquinaria de RNAi/PTGS no desenvolvimentode diferentes organismos vieram com a descoberta de uma nova classe de pequenos RNAs,os micro RNAs (miRNAs). Inicialmente, foi demonstrado que o gene Lin-4, conhecido porcontrolar o tempo de desenvolvimento do estágio larval de C. elegans, não codificavanenhuma proteína, e sim um par de pequenos RNAs, um com aproximadamente 22 nt e ooutro com 16 nt (Lee e col., 1993). Estes pequenos RNAs eram complementares a váriasregiões da região 3’ não-traduzida (3’NTR) do gene Lin-14, propondo-se que eles mediam arepressão de Lin-14 por pareamento na região 3’NTR, inibindo o processo de tradução. Seteanos depois da descoberta de Lin-4, foi descoberto um segundo gene, Let-7, que tambémcodifica um pequeno RNA de 22 nt envolvido no desenvolvimento de C. elegans (Reinhart ecol., 2000; Slack e col., 2000). Devido ao papel de ambos no controle do desenvolvimento,foram denominados de small temporal RNAs (stRNAs) (Pasquinelli e col., 2000). Poucotempo depois foram clonados diversos genes que codificam pequenos RNAs emDrosophila, C. elegans, Arabidopsis e humanos (Lagos- Quintana e col., 2001; Lau e col.,2001; Lee e Ambros, 2001; Llave e col., 2002b). Os produtos destes genes eramestruturalmente semelhantes aos stRNAs lin-4 e let-7: possuíam aproximadamente 22 nt eeram potencialmente processados por Dicer a partir de um precursor com capacidade deadquirir estrutura secundária em forma de grampo. Entretanto, em plantas, diferente dosstRNAs lin-4 e let-7, eles não interferem com o processo de tradução. Nos casos em que oalvo desses pequenos RNAs já foi identificado, comprovou-se que ocorre pareamento entreo pequeno RNA e a região codificadora do mRNA alvo, e que esse pareamento gera umaregião de dsRNA que é clivada pelo complexo RISC (Grishok e col., 2001). O termo“microRNA” (miRNA) foi introduzido para se referir a todos os pequenos RNAs originados apartir de um transcrito endógeno processados por uma RNase III tipo Dicer (Hutvagner ecol., 2001). Atualmente, acredita-se que os miRNAs possuem papel fundamental naregulação gênica pós-transcricional, com papel em processos como a proliferação celular,apoptose, sinalização e diferenciação. A primeira evidência de que dsRNA pode induziralterações na cromatina foi a observação de que a infecção de plantas por viróides levava àmetilação de seqüências endógenas que possuíam homologia com o genoma do viróide
  • 62. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 54 Julho/2010(Wassenegger e col., 1994). A esta observação seguiu-se a descoberta de que dsRNAapresentando seqüências homólogas a regiões promotoras era capaz de induzirsilenciamento gênico, neste caso em nível transcricional, por meio da metilação destaseqüência (Mette e col., 2000). A ligação entre RNAi e remodelamento da cromatina veiocom a descoberta das proteínas polycomb, cromoproteínas relacionadas com a repressãotranscricional por favorecer a formação de heterocromatina, e com a formação de estruturasfechadas de cromatina que criam padrões estáveis e herdáveis de expressão gênicaenvolvidas em RNAi em C. elegans e Drosophila (Akhtar e col., 2000; Tabara e col., 1999).Uma relação mais direta entre RNAi e silenciamento transcricional veio com trabalhos em S.pombe, onde foi demonstrado que as proteínas homólogas a Dicer e Argonauta sãorequeridas para o silenciamento de regiões centroméricas (Volpe e col., 2002). No início de2004, foi purificado um complexo induzido por RNA requerido para o início da formação deheterocromatina em S. pombe, denominado RITS (RNA-induced initiation of transcriptionalgene silencing). O complexo RITS inclui a proteína Argonauta AGO1 e pequenos RNAshomólogos a regiões centroméricas processados pela Dicer. Sua existência sugere queRNAi é um mecanismo que atua tanto em nível transcricional como pós-transcricional(Verdel e col., 2004).O mecanismo do silenciamento de RNAEstudos genéticos demonstraram a existência de três vias de silenciamento de RNA(Xie e col., 2004) (Fig. 1). Estudos com proteínas supressoras de silenciamento codificadaspor vírus demonstraram que estas vias podem se sobrepor em alguns pontos (Dunoyer ecol., 2002). A primeira via é a de silenciamento citoplasmático via siRNAs, que estáenvolvida na degradação de RNA viral interferindo, ou mesmo bloqueando, o ciclo deinfecção. O dsRNA pode originar-se da transcrição de um gene endógeno, de um transgene,ou de um intermediário da replicação de vírus com genoma de RNA. Em vírus com genomade DNA, dsRNA pode ser formado por meio do anelamento de transcritos sobrepostoscomplementares (Baulcombe, 2004). A segunda via é a de silenciamento de mRNAsendógenos via miRNAs. Os miRNAs regulam a expressão gênica negativamente por meiodo pareamento de bases específicos a mRNAs alvo, resultando na clivagem do mRNA ouna repressão de sua tradução (Baulcombe, 2004). A terceira via é nuclear e está associadaà metilação de DNA e à formação de heterocromatina. Uma importante função para esta viaé provavelmente proteger o indivíduo de desorganizações genômicas causadas portransposons (Baulcombe, 2004).
  • 63. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 55Figura 1- Modelo para o silenciamento de RNA, indicando as três vias atualmente conhecidas.A. Silenciamento pós-transcricional de genes endógenos ou transgenes via siRNas. Uma molécula dedsRNA pode ser gerada a partir da transcrição de um transgene senso, de um transgene anti-sensoou de um transgene em repetição invertida. O dsRNA é provavelmente transportado para ocitoplasma, onde é degradado pela enzima DCL-2 (em plantas), gerando os siRNAs. Os siRNAs sãoincorporados ao complexo RISC, que irá degradar os mRNAs citoplasmáticos que possuamidentidade com a seqüência do siRNA. Os vírus ativam essa via produzindo dsRNA durante suareplicação. B. Silenciamento pós-transcricional de genes endógenos via miRNAs. Os miRNAs sãotranscritos a partir de genes que produzem um RNA precursor com estrutura secundária em forma degrampo. A enzima DCL-1 (em plantas) processa o precursor no núcleo, gerando o miRNA. O miRNAé transportado para o citoplasma e incorporado ao complexo RISC. C. Silenciamento transcricionalvia siRNAs. Essa via é ativada por meio de dsRNA produzido após a transcrição de transposons oude seqüências endógenas arranjadas na forma de repetições diretas. O dsRNA é processado pela
  • 64. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 56 Julho/2010enzima DCL-3 (em plantas), e os siRNAs resultantes são incorporados ao complexo RITS. Essecomplexo atua no DNA genômico, resultando na metilação de seqüências homólogas ao siRNA ou naformação de heterocromatina. (Modificado de Zerbini e col., 2005).As três vias do silenciamento de RNA requerem grupos de proteínas relacionas emplantas, fungos, animais e protozoários, sugerindo a existência de um mecanismo ancestralcomum a estes organismos e às três vias, embora com diferenças significativas (Zamore,2002). Estudos genéticos e bioquímicos demonstraram que o silenciamento de RNA é umprocesso gradual com pelo menos quatro etapas: iniciação, amplificação, sinalizaçãosistêmica e manutenção. Na etapa de iniciação, o dsRNA é processado em siRNAs comaproximadamente 21-24 nt. Esta clivagem requer ATP e é mediada por Dicer emDrosophila, DCR1 em C. elegans e DICER-LIKE 1 (DCL1) em Arabidopsis (Bernstein ecol., 2001; Knight e Bass, 2001; Schauer e col., 2002). Dicer possui um domínio de RNAhelicase na região amino-terminal, um domínio central PAZ (Piwi, Argonaute e Zwilli) deligação a RNA, dois domínios catalíticos, um ou dois domínios de ligação a dsRNA e umdomínio de função desconhecida (Carmell e Hannon, 2004).O modelo para a clivagem de dsRNA mediada por Dicer propõe que a enzima atuacomo um dímero antiparalelo, formando dois centros catalíticos que geram os siRNAs de 22nt (Blaszczyk e col., 2001). S. pombe, C. elegans e vertebrados possuem somente umaDicer, envolvida nas vias de silenciamento mediadas por siRNAs e miRNAs (Bernstein ecol., 2001; Grishok e col., 2001; Hutvagner e col., 2001; Ketting e col., 2001; Knight e Bass,2001; Volpe e col., 2002). Em Drosophila, foram identificados dois parálogos de Dicer queatuam em pontos diferentes do mecanismo: Dicer1 é requerida para o processamento dosprecursores de miRNAs, enquanto Dicer2 está envolvida no processamento de dsRNAslongos (Lee e col., 2004c).Em Arabidopsis, a família gênica que codifica proteínas homólogas a Dicer possuiquatro membros. DCL1 processa os precursores de miRNAs (Park e col., 2002; Xie e col.,2004). DCL2 é provavelmente requerida para a produção de siRNAs derivados de vírus,embora o mutante dcl2 tenha apresentado somente uma redução transiente nos níveis desiRNAs em plantas infectadas com o Turnip crinkle virus, dentre vários vírus testados (Xie ecol., 2004). Experimentos adicionais serão necessários para comprovar o papel de DCL2.DCL3 produz siRNAs derivados de retroelementos e de transposons e é requerida para osilenciamento de cromatina. Os siRNAs resultantes do processamento via DCL3 estãoassociados a transposons e são um pouco mais longos (24 nt) do que os siRNAs resultantesdo processamento mediado por DCL1 (21 nt) (Hamilton e col., 2002; Xie e col., 2004). Até opresente, ainda não foi estabelecida a função de DCL4.
  • 65. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 57O siRNA de fita dupla derivado do processamento de dsRNA por Dicer se associa àproteína R2D2, que contém domínios de ligação a dsRNA (Liu e col., 2003). A função deR2D2 é discriminar qual das duas fitas do siRNA será incorporada ao RISC (Tomari e col.,2004). A fita incorporada será aquela cujo terminal 5’ se anela com menor energia específicaao terminal 3’ da fita complementar. O RISC direciona a clivagem seqüênciaespecífica demRNAs complementares (Hutvagner e Zamore, 2002). Todos os complexos RISC jácaracterizados possuem pelo menos uma proteína da família Argonauta (Hammond e col.,2001; Hutvagner e Zamore, 2002; Martinez e col., 2002; Mourelatos e col., 2002; Verdel ecol., 2004). A família de proteínas Argonauta consiste no maior grupo de proteínasespecificamente envolvidas no silenciamento de RNA. O número de parálogos identificadosem diferentes organismos varia de um em S. pombe (Verdel e col., 2004) a mais de vinteem C. elegans (Carmell e col., 2002; Grishok e col., 2001). Em Arabidopsis foramidentificados dez membros (Morel e col., 2002), em Drosophila foram identificados cinco(Williams e Rubin, 2002) e em humanos oito membros (Sasaki e col., 2003). Em humanosfoi demonstrado que o domínio Piwi presente em Dicer media interações proteína-proteínaentre proteínas Argonauta e Dicer, o que poderia facilitar a incorporação dos siRNAs aoRISC (Doi e col., 2003; Pham e col., 2004). Diversas evidências sugerem que as diferentesproteínas Argonauta não são funcionalmente redundantes em um determinado organismo.Análises genéticas em Arabidopsis demonstraram que AGO1 está envolvida nas vias desilenciamento mediadas por siRNAs e miRNAs (Fagard e col., 2000; Kidner e Martienssen,2003), enquanto AGO4 está envolvida em direcionar modificações na cromatina (Zilbermane col., 2003).O complexo RISC possui atividade catalítica que cliva especificamente o mRNA alvosem afetar o siRNA guia. A subunidade catalítica é denominada Slicer, e foi demonstradoque mutações em AGO2 de mamíferos inibem a capacidade de clivagem do RISC,indicando que AGO2 é a própria proteína Slicer (Liu e col., 2004).Funções biológicas associadas ao silenciamento de RNAA primeira função biológica proposta para o silenciamento de RNA foi estabelecidaem plantas durante estudos sobre a resistência derivada do patógeno. A observação de queplantas recuperadas de uma primeira infecção viral tornavam-se resistentes à reinfecçãopelo mesmo vírus, devido à ativação e manutenção do silenciamento, levou à hipótese deque o silenciamento de RNA seria uma resposta adaptativa de defesa contra vírus (Al-Kaff ecol., 1998; Covey e col., 1997). Evidências adicionais foram obtidas com a observação deque plantas mutantes defectivas para o silenciamento são hipersensíveis à infecção poralguns vírus (Morel e col., 2002), e pela descoberta de proteínas virais com capacidade desuprimir o silenciamento em plantas (Anandalakshmi e col., 1998; Brigneti e col., 1998;
  • 66. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 58 Julho/2010Kasschau e Carrington, 1998) e animais (Li e col., 2002). Além da defesa contra infecçãopor vírus, o silenciamento de RNA também está envolvido na proteção contra a transposiçãode DNA. Em C. elegans e Chlamydomonas reinhardtii, indivíduos com mutações emcomponentes da via de RNAi apresentam uma taxa mais elevada de transposição (Ketting ecol., 1999). Outro indicativo dessa função foi a detecção de siRNAs derivados deretrotransposons em Trypanossoma brunei, indicando que o intermediário de dsRNAproduzido durante o ciclo de transposição pode ser processado pela enzima Dicer (Djikeng ecol., 2001). A função do silenciamento de RNA na defesa contra vírus e transposons levou àsugestão de que o mecanismo funcionaria como um “sistema imune” do genoma. De formaanáloga ao sistema imunológico presente em aves e mamíferos, o silenciamento de RNA éespecífico contra elementos exógenos, a resposta pode ser amplificada e desencadeia umaresposta massiva contra um invasor (nesse caso, uma molécula de ácido nucléico)(Plasterk, 2002).Apesar da falta de evidências diretas, outra função proposta para o mecanismo é ade remoção de RNAs aberrantes não funcionais do núcleo ou do conjunto de mRNAscelulares (Tijsterman e col., 2002).O papel do silenciamento de RNA foi consideravelmente ampliado com a descobertados miRNAs, estabelecendo-se o envolvimento do mecanismo na regulação pós-transcricional de genes endógenos. Atuando de forma análoga aos siRNAs, os miRNAs sãoprocessados pela Dicer (Lee e col., 2003b) e estão associados ao RISC (Martinez e col.,2002), anelando-se ao mRNA alvo e formando uma região de dsRNA, o que leva àdegradação do mRNA e conseqüente regulação negativa da expressão gênica. A maioriados miRNAs já identificados em plantas possui como alvo mRNAs que codificam fatores detranscrição, particularmente aqueles envolvidos na regulação de genes que controlam odesenvolvimento (Kasschau e col., 2003; Rhoades e col., 2002). Em animais, os mRNAscontrolados por miRNAs estão envolvidos em uma ampla gama de processos biológicos,incluindo o controle da apoptose (Brennecke e col., 2003), o metabolismo de lipídeos (Xu ecol., 2003), a supressão de tumores e a resistência a estresses oxidativos (Lewis e col.,2003).Descobertas recentes sugerem que o silenciamento de RNA está envolvido naformação da cromatina e/ou reorganização genômica, incluindo a formação deheterocromatina em S. pombe e a eliminação de grandes fragmentos de DNA do genomade Tetrahymena thermophila (Hall e col., 2002; Taverna e col., 2002; Volpe e col., 2002).Caráter sistêmico do silenciamento de RNAUma característica marcante do silenciamento de RNA é seu caráter sistêmico. Asprimeiras suspeitas sobre a existência de um “fator difusível” vieram da observação de que
  • 67. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 59heterocárions de N. crassa contendo núcleos silenciados e não silenciados apresentavam ofenótipo silenciado (Cogoni e col., 1996). Estudos adicionais em plantas (Palauqui e col.,1997), C. elegans (Fire e col., 1998) e Drosophila (Dzitoyeva e col., 2001) demonstraramque o silenciamento não é restrito às células iniciais, sugerindo a existência de um sinalsistêmico que é propagado a partir da célula onde o mecanismo foi inicialmente ativado eque ativa o mecanismo em tecidos distantes.A existência do sinal sistêmico foi claramente demonstrada em experimentos deenxertia entre plantas transgênicas silenciadas e não silenciadas (Palauqui e col., 1997).Nesses ensaios foram utilizados três transgenes distintos: os genes endógenos Nia e Nii,que codificam respectivamente as enzimas nitrato redutase e nitrito redutase, e o geneexógeno uidA, que codifica a enzima β-glucuronidase (GUS). O silenciamento foi sempretransmitido de porta-enxertos silenciados para enxertos não silenciados que expressavam omesmo transgene, mas não para enxertos expressando transgenes distintos. Os mesmosresultados foram obtidos nos três sistemas, indicando que o sinal sistêmico não é umacaracterística específica de um gene em particular. Em todos os casos o silenciamento doenxerto foi específico, ou seja, as seqüências silenciadas foram as mesmas queencontravam-se silenciadas no porta-enxerto. Esta especificidade de seqüência sugere queo sinal sistêmico possui um ácido nucléico em sua composição. A transmissão dosilenciamento também ocorreu quando porta-enxertos silenciados foram fisicamenteseparados do enxerto por um segmento de caule de 30 cm de planta não-transformada,indicando a propagação a longa distância do sinal.A propagação sistêmica do silenciamento também foi demonstrada em ensaios ondeplantas transgênicas de Nicotiana benthamiana não silenciadas para GFP foramsilenciadas pela introdução de uma segunda cópia do transgene. Nestes experimentos,folhas de N. benthamiana não silenciadas foram agroinoculadas (Voinnet e Baulcombe,1997) ou bombardeadas com uma cópia extra de GFP (Voinnet e col., 1998). Osilenciamento foi inicialmente detectado nos tecidos inoculados/bombardeados, esubseqüentemente nas folhas superiores (não inoculadas) da planta.Observações semelhantes foram realizadas em C. elegans. A expressão de GFP foisilenciada em células da linhagem germinativa e em células somáticas alimentando-seindivíduos com dsRNA homólogo a GFP ou cultivando-se indivíduos em solução contendobactérias expressando dsRNA (Timmons e Fire, 1998; Timmons e col., 2001).O mecanismo pelo qual o silenciamento é propagado a partir da célula inicialmentesilenciada ainda não é totalmente compreendido. Estudos em C. elegans identificaram umgene requerido para o transporte do sinal sistêmico entre tecidos, porém totalmentedispensável para iniciar ou manter o silenciamento. Este gene, denominado Sid1 (systemicRNA interference deficient), codifica uma proteína transmembrana que se localiza na
  • 68. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 60 Julho/2010periferia celular (Winston e col., 2002). Para determinar a função da proteína SID1, osautores utilizaram células S2 de Drosophila, capazes de ativar normalmente o mecanismode silenciamento, porém incapazes de propagar o silenciamento sistemicamente. Estascélulas foram transformadas com dois plasmídeos, o primeiro codificando luciferase e osegundo codificando formas funcionais ou não funcionais de SID1. As células foram imersasem uma solução contendo diferentes concentrações de dsRNA homólogo a luciferase por 48horas e a atividade de luciferase foi medida. As células que expressavam SID1 funcionalapresentaram uma taxa de silenciamento 105 vezes maior de as células transfectadas complasmídeos expressando SID1 não funcional, mesmo na presença de altas concentraçõesde dsRNA. Esse resultado indica que SID1 facilita o transporte de dsRNA para o interior dacélula. Além disso, foi demonstrado que o transporte de dsRNA mediado por SID1 não ésensível a baixas concentrações de ATP e baixas temperaturas, sugerindo que ocorre deforma passiva (Feinberg e Hunter, 2003). O transporte passivo poderia ocorrer nos doissentidos, ou seja, SID1 pode ser responsável pela saída do sinal sistêmico da célulainicialmente silenciada.Em plantas, acredita-se que o sinal sistêmico seja capaz de se mover célula-a-célulavia plasmodesmas (Himber e col., 2003; Lucas e col., 2001) e a longa distância via floema(Klahre e col., 2002; Mallory e col., 2003). Entretanto, não se sabe de que forma (ativa oupassiva) o transporte ocorre.Uma hipótese atrativa é a de que os siRNAs fazem parte do sinal sistêmico, pois elespossuem comprimento longo o suficiente para garantir a especificidade, estãoconsistentemente associados ao silenciamento e são pequenos o suficiente paramovimentar-se célula-a-célula via plasmodesmas, além de serem suficientes para induzir osilenciamento de RNA em Drosophila, C. elegans, e em células de mamíferos (Mlotshwa ecol., 2002). Entretanto, existem duas evidências contrárias à hipótese de que os siRNAsestejam associados ao sinal sistêmico. Estudos com HC-Pro, uma proteína viral supressorade silenciamento, demonstraram que em plantas onde o silenciamento foi suprimido por HC-Pro não ocorre acúmulo de siRNAs, entretanto a capacidade de produzir ou enviar o sinalsistêmico não é afetada (Mallory e col., 2001). Além disso, em C. elegans, indivíduosmutantes no gene Rde-4, essencial para que o silenciamento ocorra, produzem siRNAs deforma deficiente, porém o silenciamento sistêmico não é afetado (Parrish e col., 2000).Trabalhos de caracterização de siRNAs produzidos durante o silenciamento de RNAdemonstraram a existência de duas classes de siRNAs em plantas transgênicas silenciadaspara GFP: uma classe de siRNAs “longos” (24-26 nt) e outra de siRNAs “curtos” (21-22 nt).Curiosamente, os siRNAs derivados de retroelementos endógenos são exclusivamente daclasse dos siRNAs longos. Os siRNAs longos são dispensáveis para a clivagem seqüência-específica do mRNA alvo, entretanto estão correlacionados com o silenciamento sistêmico e
  • 69. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 61com a metilação de DNA. Essas observações sugerem que os siRNAs curtos estãoenvolvidos no processo de incorporação ao RISC e clivagem dos mRNAs alvos, enquantoos siRNAs longos estariam envolvidos na sinalização sistêmica e na etapa nuclear demetilação do DNA (Hamilton e col., 2002). Entretanto, essa hipótese ainda não foicomprovada, e, dessa forma, a natureza precisa do sinal sistêmico permanecedesconhecida.Um estudo detalhado do extrato de floema de plantas de abóbora (Cucurbitamaxima) demonstrou a presença de uma população de pequenos RNAs provavelmenteenvolvidos no processo de sinalização sistêmica, pois uma análise comparativa deseqüência identificou possíveis alvos destes pequenos RNAs. Experimentos realizados complantas transgênicas silenciadas e infectadas por vírus confirmaram a presença de siRNAsderivados do transgene ou do vírus no extrato do floema. Uma análise bioquímica desseextrato levou à identificação de uma proteína que se liga seletivamente a pequenos RNAsde fita simples, denominada CmPSRP1 (C. maxima Phloem Small RNA Binding Protein 1),sugerindo que esta proteína é parte da maquinaria envolvida no silenciamento sistêmico(Yoo e col., 2004).MicroRNAsMicroRNAs (miRNAs) constituem uma classe de pequenos RNAs de 21-24 ntenvolvidos na regulação da expressão gênica em eucariotos. A presença de miRNAs já foidetectada em S. pombe, Drosophila, camundongos, humanos e plantas (Lagos- Quintanae col., 2003; Lee e Ambros, 2001; Llave e col., 2002b).Os miRNAs atuam de forma análoga aos siRNAs regulando negativamente mRNAsalvos, porém diferenciam-se destes pela origem e pela natureza do mRNA alvo. Os siRNAssão derivados do próprio mRNA alvo transcrito a partir de um transgene, vírus, transposonou gene endógeno. Os miRNAs são processados a partir de transcritos endógenos que nãocodificam proteínas e possuem como alvo mRNAs endógenos.O número de genes que codificam miRNAs está estimado em 0,5-1% do númerototal de genes do genoma em questão. C. elegans e Drosophila possuemaproximadamente 100 a 140 genes que codificam miRNAs, enquanto seres humanospossuem de 200 a 255. Pelo menos 0,2 % do genoma de Arabidopsis codifica miRNAs.Esta representatividade relativa é comparável à de outras famílias gênicas envolvidas naregulação gênica como, por exemplo, a de fatores de transcrição que se ligam a DNA(Nakahara e Carthew, 2004). A maioria dos genes que codificam miRNAs são conservadosentre espécies relacionadas e aproximadamente 30 % são altamente conservados, comortólogos em vertebrados e invertebrados, sugerindo uma conservação evolutiva com base
  • 70. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 62 Julho/2010em sua função biológica. Embora miRNAs estejam presentes em plantas e animais, aindanão foram descritos miRNAs ortólogos nos dois reinos (Bartel, 2004).A maioria dos genes que codifica miRNAs se localiza em regiões intergênicas,sugerindo que são transcritos a partir de unidades transcricionais independentes (Lau e col.,2001; Lee e Ambros, 2001). Inicialmente acreditava-se que os miRNAs eram transcritos pelaRNA polimerase III, pois ela transcreve a maioria dos pequenos RNAs como os tRNAs e osnRNA U6. Entretanto, diversas evidências indicam que os miRNAs não são transcritos pelaRNApol III. Os transcritos que geram miRNAs são um pouco mais longos do que os demaisRNAs transcritos pela enzima, e possuem seqüência internas com mais de quatro uracilasseguidas, o que seria o sinal de término da transcrição para a RNApol III (Lee e col., 2002).Além disso, um grande número de transcritos quiméricos contendo miRNAs e transcritosadjacentes têm sido encontrado em bibliotecas de EST, e muitos destes ESTs possuemcauda poli A e são ocasionalmente processados, sugerindo que são transcritos pela RNApolimerase II (Smalheiser, 2003). Por fim, a inserção de elementos enhancer querespondem à RNApol II em Drosophila induz a expressão do miRNA Bantam (Brennecke ecol., 2003). De fato, foi demonstrado que os transcritos primários (nucleares) que geram osmiRNAs (denominados pri-miRNAs) possuem estrutura de capa na extremidade 5’ e caudapoli-A na extremidade 3’, características de transcritos de genes da classe II. Além disso, otratamento de células humanas com α-amanitina a concentrações que inibem a RNApol IIsuprime o acúmulo de pri-miRNAs, e ensaios de imunoprecipitação de cromatinademonstraram que a RNApol II está fisicamente associada ao promotor de alguns miRNAs(Lee e col., 2004b).Aproximadamente um quarto dos genes que codificam miRNAs em Drosophilaestão localizados em introns, preferencialmente na mesma orientação do mRNA, sugerindoque são transcritos a partir do promotor do gene e processados a partir dos introns, deforma análoga a diversos snRNAs (Aravin e col., 2003). O alvo desses miRNAs é o própriomRNA processado, o que sugere um cenário regulatório onde a expressão coordenada domiRNA e de seu mRNA alvo é desejada (Lim e col., 2003a). Outros miRNAs estãoagrupados no genoma em um arranjo e padrão de expressão que produz um pri-miRNA“policistrônico”, capaz de gerar vários miRNAs distintos após a finalização doprocessamento (Fig. 2) (Lau e col., 2001). Apesar da maioria dos genes que codificammiRNAs em plantas, C. elegans e humanos estar organizada de forma isolada (Lim e col.,2003a; Lim e col., 2003b), mais da metade desses genes em Drosophila está organizadaem agrupamentos (Aravin e col., 2003).Embora a presença de miRNAs em plantas e animais sugira que esta classe deRNAs não codificantes está envolvida na regulação da expressão gênica desde pelo menoso último ancestral comum destas linhagens (Reinhart e col., 2002), existem algumas
  • 71. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 63diferenças importantes na biogênese e no modo de ação entre os miRNAs de plantas eanimais. A estrutura em forma de grampo predita para o pri-miRNA em plantas é muito maisvariável em comprimento e tipicamente mais longa do que em animais (Reinhart e col.,2002). Além disso, plantas requerem uma complementaridade perfeita entre o miRNA e omRNA alvo, em contraste com miRNAs em animais que são imprecisamentecomplementares ao alvo (Hutvagner e Zamore, 2002). A comparação entre alvos demiRNAs em plantas e animais indica três diferenças adicionais. Os sítios decomplementaridade dos miRNAs de plantas estão localizados sempre na região codificadorado mRNA alvo, enquanto que em animais podem se localizar na região codificadora ou,preferencialmente, na região 3’ não traduzida. Além disso, em plantas existe apenas umsítio de complementaridade entre determinado miRNA e seu mRNA alvo, enquanto que emanimais podem existir sítios múltiplos de complementaridade (Reinhart e col., 2000;Rhoades e col., 2002; Slack e col., 2000). Por fim, os miRNAs de plantas atuampredominantemente degradando o mRNA alvo (Carrington e Ambros, 2003), com uma únicaexceção conhecida até o presente, o miRNA172, que regula a expressão do geneAPETALA2 em Arabidopsis reprimindo a tradução sem afetar a estabilidade do mRNA(Aukerman e Sakai, 2003; Chen, 2004). O oposto é observado com os miRNAs de animais,que predominantemente reprimem a tradução de seus mRNAs alvos sem afetar suaestabilidade (Olsen e Ambros, 1999). Somado à ausência de conservação entre os genesque codificam miRNAs em plantas e animais, estas diferenças sugerem que esses genesevoluíram independentemente após a divergência dos dois reinos (Bartel, 2004).O modelo atual para a biogênese de miRNAs em animais (Fig. 2) propõe que amaturação dos miRNAs ocorre em duas etapas. A primeira etapa consiste na clivagemnuclear do pri-miRNA, que libera um intermediário com estrutura secundária em forma degrampo com aproximadamente 60-70 nt, denominado pre-miRNA (precursor miRNA) (Lee ecol., 2002). Esta clivagem é realizada pela RNase III Drosha, que cliva ambas as fitas do pri-miRNA em sítios próximos à base da estrutura em forma de grampo, gerando um premiRNAcom um fosfato em sua extremidade 5’ e 2 nucleotídeos protundentes na extremidade 3’(Lee e col., 2003b). O pre-miRNA é transportado de forma ativa do núcleo para o citoplasmapelo complexo Ran-GTP/Exportina-5 (Lund e col., 2004; Yi e col., 2003). A clivagem nucleardefine a extremidade 5’ do miRNA, que é a mesma do pre-miRNA. A extremidade 3’ éprocessada no citoplasma pela enzima Dicer (Hutvagner e Zamore, 2002; Ketting e col.,2001). Nesta etapa, a Dicer atua de forma idêntica à clivagem de dsRNA no processo desilenciamento de RNA. Inicialmente ocorre o reconhecimento da região de fita dupla do pre-miRNA, provavelmente por afinidade da enzima com o fosfato 5’ e os 2 nt protundentes naextremidade 3’. Em seguida ocorre a clivagem, liberando um miRNA de fita dupla comaproximadamente 21-25 pares de bases, contendo fosfatos nas extremidades 5’ e dois
  • 72. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 64 Julho/2010nucleotídeos protundentes nas extremidades 3’ (Hutvagner e Zamore, 2002). De acordocom este modelo, a especificidade da primeira clivagem determina a posição correta dasegunda clivagem do pre-miRNA, definindo assim ambas as extremidades do miRNA (Lee ecol., 2003b).Figura 2. Processos nucleares e citoplasmáticos envolvidos na biogênese de microRNAs(miRNAs) em plantas e animais. Os miRNAs são transcritos, em ambos tipos de organismos, apartir de genes que produzem um RNA precursor com estrutura secundária em forma de grampo,denominado pri-miRNA. Em plantas, o pri-miRNA é processado pela enzima DCL-1 no núcleo,gerando um intermediário com aproximadamente 60-70 nt denominado pre-miRNA. O pre-miRNA ésubseqüentemente processado, provavelmente pela mesma enzima, gerando o miRNA. Em animais,o pri-miRNA é processado no núcleo pela enzima Drosha, gerando o premiRNA. O pre-miRNA étransportado de forma ativa do núcleo para o citoplasma pelo complexo Ran-GTP/Exportina-5. Nocitoplasma, o pre-miRNA é processado pela enzima Dicer, gerando o miRNA. Em plantas e animais,o miRNA citoplasmático é incorporado ao complexo RISC, que irá degradas os mRNAs endógenosque apresentam homologia com a seqüência do miRNA. Em plantas, os miRNA também atuam nonúcleo, via incorporação a um complexo RISC nuclear. (Modificado de Zerbini e col., 2005).
  • 73. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 65Em plantas o processamento parece ser um pouco diferente. Não são detectadospre-miRNAs, mesmo em plantas mutantes para DCL1, a proteína homóloga à Dicerenvolvida na biogênese de miRNAs (Reinhart e col., 2002). A localização nuclear de DCL1sugere esta realiza o papel funcional de Drosha (Papp e col., 2003). DCL1 (ou outra enzimaainda não identificada) realiza também a segunda clivagem, correspondente à clivagemcitoplasmática em animais, antes da exportação para o citoplasma. O acoplamento daprimeira e segunda clivagens no núcleo pode explicar a ausência de pre-miRNAs em níveisdetectáveis em plantas (Bartel, 2004). Não existem dados conclusivos sobre o transporte domiRNA de fita dupla do núcleo para o citoplasma em plantas. Um ortólogo à exportina-5denominado HST1 (Hasty 1) foi identificado em Arabidopsis, sugerindo que esta proteínaestá envolvida no transporte núcleo/citoplasma. Embora o processamento de miRNAs nãotenha sido testado em mutantes hst1, estas plantas apresentam alterações morfogenéticase redução no acúmulo de alguns miRNAs, sugerindo que a via biossintética dos miRNAs éafetada (Bollman e col., 2003).Após o transporte núcleo/citoplasma, o modo de ação dos miRNAs é bastantesemelhante às etapas do silenciamento de RNA mediado por siRNAs. Os miRNAs foraminicialmente encontrados em associação com um complexo ribonucleoprotéico denominadomiRNP (miRNA ribonuclein complex), que em humanos inclui a proteína Argonauta eIF2C2,a helicase GEMIN3 e GEMIN4 (Martinez e col., 2002; Mourelatos e col., 2002). O miRNA let-7 de humanos se associa a eIF2C2 e é capaz de guiar a clivagem sítio-específica de umRNA alvo artificial 100 % complementar ao Mirna (Hutvagner e Zamore, 2002). Desta forma,sugeriu-se que o complexo miRNP corresponde ao RISC, que direciona a clivagem demRNAs no mecanismo de silenciamento de RNA (Hutvagner e Zamore, 2002).Somente uma das fitas do miRNA de fita dupla é incorporada ao RISC. Quando issoocorre, a outra fita é degradada. Estudos para determinar qual das fitas é incorporada noRISC mostraram que a fita incorporada é aquela que possui o terminal 5’ com pareamentode bases mais instável (Schwarz e col., 2002).Em plantas, o acúmulo de miRNAs é dependente dos genes Hen1 e de Hyl1, alémde Dcl1. A proteínas HEN1 e HYL1 possuem sinal de localização nuclear, sugerindo queelas atuam em uma etapa nuclear da biogênese de miRNAs (Park e col., 2002). HEN1 éuma dsRNA metilase (Anantharaman e col., 2002) e HYL1 se liga especificamente a dsRNA(Lu e Fedoroff, 2000), portanto podem estar envolvidas em marcar e direcionar os miRNAsde fita dupla que devem ser incorporados ao RISC.Uma vez incorporado ao RISC, o miRNA vai direcionar a clivagem específica demRNAs complementares ou reprimir sua tradução (Zeng e Cullen, 2002). Em plantas, agrande maioria dos miRNAs cujos alvos já foram identificados atuam via clivagem específica(Rhoades e col., 2002). Em animais, a maioria dos miRNAs possui complementaridade a
  • 74. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 66 Julho/2010vários sítios na região 3’ não traduzida de mRNAs alvos e acredita-se que atuam inibindo atradução. Entretanto, foi demonstrado que o miRNA mir-196 direciona a clivagem do seumRNA alvo, Hoxb8, em camundongos (Yekta e col., 2004).Quando o miRNA direciona a clivagem, esta ocorre precisamente da mesma formaque a clivagem direcionada por siRNAs, ou seja, entre o décimo e o décimo primeironucleotídeo pareado do miRNA (Hutvagner e Zamore, 2002). Após a clivagem do mRNAalvo, o miRNA permanece intacto e pode direcionar o reconhecimento e a clivagem de outromRNA alvo (Hutvagner e Zamore, 2002).Existe atualmente um grande número de miRNAs identificados em plantas e animais(Rhoades e Bartel, 2004; Llave e col., 2002b; Rhoades e col., 2002). Em vários casos, osalvos desses miRNAs foram identificados e comprovados por meio de análisescomputacionais (Rhoades e col., 2002). Entretanto, a validação definitiva de um mRNA alvorequer estudos nos quais sua suposta seqüência de reconhecimento seja alterada de modoa impedir o anelamento do miRNA, verificando-se um subseqüente aumento naconcentração do mRNA alvo (Baulcombe, 2004). A identificação dos mRNAs alvos dessaforma demonstrou que os miRNAs estão predominantemente envolvidos na regulação degenes relacionados ao desenvolvimento de órgãos e tecidos, incluindo diversos fatores detranscrição (Bartel, 2004). Alguns exemplos incluem o miRNA-JAW, que regula a expressãodo fator de transcrição TCP envolvido na morfogênese de folhas (Palatnik e col., 2003), omiRNA159, que regula a expressão do fator de transcrição MYB33 envolvido no balanço dereguladores de crescimento (Palatnik e col., 2003), o miRNA 165/166 que regula aexpressão de três fatores de transcrição da classe envolvidos na diferenciação das facesadaxial e abaxial de folhas (Emery e col., 2003), o miRNA172, que regula a expressão dofator de transcrição APETALA2 envolvido na morfogênese floral (Aukerman e Sakai, 2003;Chen, 2004), e o miRNA164, que regula a expressão de vários fatores de transcrição daclasse NAC, envolvidos em diversos aspectos da diferenciação de órgãos vegetativos ereprodutivos (Mallory e col., 2004). Além disso, a expressão de genes relacionados com aprópria maquinaria do silenciamento de RNA, como AGO1 (Vaucheret e col., 2004) e DCL-1(Xie e col., 2003) é regulada por miRNAs.BibliografiaAkhtar, A.; Zink, D. e Becker, P.B. (2000). Chromodomains are protein-RNA interaction modules.Nature 407:405-9.Anandalakshmi, R.; Pruss, G.J.; Ge, X.; MAarathe, R.; Mallory, A.C.; Smith, T.H. e VANCE, V.B.(1998). A viral suppressor of gene silencing in plants. Proceedings of the National Academy ofSciences, USA 95:13079-84.
  • 75. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 67Anantharaman, V.; Koonin, E.V. e Aravind, L. (2002). Spout: A class of methyltransferases thatincludes spoU and trmD RNA methylase superfamilies, and novel superfamilies of predictedprokaryotic RNA methylases. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology 4:71- 5.Aravin, A.; Lagos-Quintana, M.; Yalcin, A.; Zavolan, M.; Marks, D.; Snyder, B.; Gaasterland, T.; Meyer,J. e Tuschl, T. (2003). The small RNA profile during Drosophila melanogaster development.Developmental Cell 5:337-50.Aukerman, M.J. e Sakai, H. (2003). Regulation of flowering time and floral organ identity by amicroRNA and its APETALA2-like target genes. Plant Cell 15:2730-41.Ball, E. G.; McKee, R. W., Anfinsen, C. B., Cruz, W. O and Geiman, Q. M.(1948) Studies on malarialparasites. IX. Chemical and metabolic changes during growth and multiplication in vivo and invitro. J. Biol. Chem. 175, 547-571.Barrett, A J. (1994). Classification of peptidases. Methods in Enzymology, 244, 1-15.Bartel, D.P. (2004). MicroRNAs: Genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 116:281-97.Baucombe, D. (2004). RNA silencing in plants. Nature 431:356-63.Baulcombe, D.C. (1999). Fast forward genetics based on virus-induced gene silencing. CurrentOpinion in Plant Biology 2:109-13.Baulcombe, D.C. (2000). Unwinding RNA silencing. Science 290:1108-9.Ben-Shlomo, I., Yu Hsu, S., Rauch, R., Kowalski, W. H., Hsueh, A. J. (2003) Signaling Receptome: Agenomic and evolutionary perspective of plasma membrane receptor involved in signaltransduction. Science’s STKE., 187, RE9.Beraldo, F. H., Garcia, C. R. (2005). Products of tryptophan catabolism induce Ca2+ release andmodulate the cell cycle of Plasmodium falciparum malaria parasites. J Pineal Res., 39, 224-230.Bernstein, E.; Caudy, A.A.; Hammond, S.M. e Hannon, G.J. (2001). Role for a bidentate ribonucleasein the initiation step of RNA interference. Nature 409:363-6.Berridge, M. J. and Irvine, R. F. (1984). Inositol triphosphate, a novel second messengers in cellularsignal transduction. Nature, 312, 315-321.Berridge, M. J., Bootman, M. D. and Roderick, H. L. (2003). Calcium signaling: Dynamics,homeostasis and remodelling. Molecular Cell Biology, 4, 517-529.Blaszczyk, J.; Tropea, J.E.; Bubunenko, M.; Routzahn, K.M.; Waugh, D.S.; Court, D.L. e Ji, X. (2001).Crystallographic and modeling studies of RNase III suggest a mechanism for double-strandedRNA cleavage. Structure 9:1225-36.Brennecke, J.; Hipfner, D.R.; Stark, A.; Russell, R.B. e Cohen, S.M. (2003). Bantam encodes adevelopmentally regulated microRNA that controls cell proliferation and regulates theproapoptotic gene hid in Drosophila. Cell 113:25-36.Brigneti, G.; Voinnet, O.; Li, W.X.; Ji, L.H.; Ding, S.W. e Baulcombe, D.C. (1998). Viral pathogenicitydeterminants are suppressors of gene silencing in Nicotiana benthamiana. EMBO Journal17:6739-46.Brivanlou, J. E., Darnell, Jr. (2002) Signal transduction and the controlo f gene expression. Science,295, 813-818.Cabrera-Vera, T. M., Vanhauwe, J., Thomas, T. O., Medkova, M., Preininger, A., Mazzoni, M. R.,Hamm, H. E. (2003) Insights into G Protein Structure, Function, and Regulation. EndocrineReviews, v. 6, 765-81.
  • 76. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 68 Julho/2010Carmell, M.A. e Hannon, G.J. (2004). RNase III enzymes and the initiation of gene silencing. NatureStructural & Molecular Biology 11:214-8.Carmona, A. K., Juliano, M. A. and Juliano L. (2009). The use of Fluorescence Resonance EnergyTransfer (FRET) peptides for measurement of clinically important proteolytic enzymes. An.Acad. Bras. Cienc. 81, 381-92.Chen, X.M. (2004). A microRNA as a translational repressor of APETALA2 in Arabidopsis flowerdevelopment. Science 303:2022-5.Chouaibou, M., Simard, F., Chandre, F., Etang, J., Darriet, F., Hougard, J. M. (2006). Efficacy ofbifenthrin-impregnated bednets against Anopheles funestus and pyrethroid-resistant Anophelesgambiae in North Cameroon. Malaria Journal. 5, 77-83.Cogoni, C.; Irelan, J.; Schumacher, M.; Schmidhauser, T.; Selker, E. e Macino, G. (1996). Transgenesilencing of the al-1 gene in vegetative cells of Neurospora is mediated by a cytoplasmiceffector and does not depend on DNA-DNA interactions or DNA methylation. EMBO Journal15:3153-63.Covey, S.N.; Al-Kaff, N.S.; Langara, A. e Turner, D.S. (1997). Plants combat infection by genesilencing. Nature 385:781-2.Denli, A.M. e Hannon, G.J. (2003). RNAi: An ever-growing puzzle. Trends in Biochemical Sciences28:196-201.Djikeng, A.; Shi, H.; Tschudi, C. e Ullu, E. (2001). RNA interference in Trypanosoma brucei: Cloning ofsmall interfering RNAs provides evidence for retroposon-derived 24-26-nucleotide RNAs. RNA7:1522-30.Doerig, C. D. (1997). Signal transduction in malaria parasites . Parasitol Today, 13, 307-313.Doi, N.; Zenno, S.; Ueda, R.; Ohki-Hamazaki, H.; Ui-Tei, K. e Saigo, K. (2003). Short-interfering-RNA-mediated gene silencing in mammalian cells requires Dicer and eIF2C translation initiationfactors. Current Biology 13:41-6.Dunoyer, P.; Pfeffer, S.; Fritsch, C.; Hemmer, O.; Voinnet, O. e Richards, K.E. (2002). Identification,subcellular localization and some properties of a cysteine-rich suppressor of gene silencingencoded by Peanut clump virus. Plant Journal 29:555-67.Dzitoyeva, S.; Dimitrijevic, N. e Manev, H. (2001). Intra-abdominal injection of double-stranded RNAinto anesthetized adult Drosophila triggers RNA interference in the central nervous system.Molecular Psychiatry 6:665-70.Elbashier, S.M.; Martinez, J.; Patkaniowska, A.; Lendeckel, W. e Tuschl, T. (2001b). Functionalanatomy of siRNAs for mediating efficient RNAi in Drosophila melanogaster embryo lysate.EMBO Journal 20:6877-88.Elbashir, S.M.; Lendeckel, W. e Tuschl, T. (2001a). RNA interference is mediated by 21- and 22-nucleotide RNAs. Genes & Development 15:188-200.Emery, J.F.; Floyd, S.K.; Alvarez, J.; Eshed, Y.; Hawker, N.P.; Izhaki, A.; Baum, S.F. e Bowman, J.L.(2003). Radial patterning of Arabidopsis shoots by class III HD-ZIP and KANADI genes. CurrentBiology 13:1768-74.Fagard, M.; Boutet, S.; Morel, J.B.; Bellini, C. e Vaucheret, H. (2000). AGO1, QDE-2, and RDE-1 arerelated proteins required for posttranscriptional gene silencing in plants, quelling in fungi, andRNA interference in animals. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA97:11650-54.Farias, S.L.; Gazarini, M.L.; Melo, R.L.; Juliano, M.A ; Juliano, L. and Garcia, C.R.S. (2005). Cysteine-
  • 77. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 69protease activity elicited by Ca 2+stimulus in Plasmodium, Molecular and BiochemicalParasitology, 141, 71-79.Feinberg, E.H. e Hunter, C.P. (2003). Transport of dsRNA into cells by the transmembrane proteinSID-1. Science 301:1545-7.Finnegan, E.J. e Kovac, K.A. (2000). Plant DNA methyltransferases. Plant Molecular Biology 43:189-201.Fire, A.; Xu, S.; Montgomery, M.K.; Kostas, S.A.; Driver, S.E. e Mello, C.C. (1998). Potent and specificgenetic interference by doublestranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391:806-11.Garcia, C. R., Ann, S. E., Tavares, E. S., Dluzewski, R., Manson, W. T. e Paiva, F. B. (1998). Acidcalcium pools in intraerythrocytic malaria parasite. Eur. J. Cell Biol, 76, 133-138.Garcia, C. R., Markus, R. P., Madeira, L. (2001). Tertian and quartan fevers: Temporal regulation inmalarial infection, Journal of Biological Rhythms, 16, 436-443.Garcia, C.R. (1999). Calcium homeostasis and signaling in the blood-stage malaria parasite. ParasitolToday, 15, 488-491.Gazarini, M. L., Tomas, A. P., Pozzan, T. and Garcia, C. R. S. (2003). Calcium signaling in alowcalcium environment: how the intracellular malaria parasite solves the problem. Journal ofCell Biology, 161, 103-110.Grishok, A.; Pasquinelli, A.E.; Conte, D.; Li, N.; Parrish, S.; Ha, I.; Baillie, D.L.; Fire, A.; Ruvkun, G. eMello, C.C. (2001). Genes and mechanisms related to RNA interference regulate expression ofthe small temporal RNAs that control C. elegans developmental timing. Cell 106:23-34.Groman, N. B. (1951). Dynamic aspects of the nitrogen metabolism of Plasmodium gallinaceum invivo and in vitro. J. Infect. Dis. 88, 126-150.Guo, S. e Kemphues, K.J. (1995). par-1, a gene requeried for establishing polarity in C. elegansembryos, encodes a putative Ser/Thr kinase that is asymmetrically distributed. Cell 81:611-20.Hall, I.M.; Shankaranarayana, G.D.; Noma, K.-I.; Ayoub, N.; Cohen, A. e Grewal, S.I.S. (2002).Establishment and maintenance of a heterochromatin domain. Science 297:2232-7.Hamilton, A.; Voinnet, O.; Chappell, L. e Baulcombe, D. (2002). Two classes of short interfering RNAin RNA silencing. EMBO Journal 21:4671-9.Hamilton, A.J. e Baulcombe, D.C. (1999). A species of small antisense RNA in posttranscriptionalgene silencing in plants. Science 286:950-2.Hamm, H. E. (1998). The many faces of G protein signaling. Journal of Biology Chem, 273, 669–672.Hammond, S.M.; Bernstein, E.; Beach, D. e Hannon, G.J. (2000). An RNA-directed nuclease mediatespost-transcriptional gene silencing in Drosophila cells. Nature 404:293-6.Harrison, T., Samuel, B. U., Akompong, T., Hamm, H., Mohandas, N., Lomasney, J. W. and Haltar, K.(2003). Erythrocyte G protein-couple receptor signaling in malarial infection. Science, 301,1734-6.Hart, S. M. (2002) Modulation of nuclear receptor dependent transcription. Biological Research, 35,295-303.Hawking, F. e Gammage, K. (1970). The timing of the asexual cycles of Plasmodium lophurae and P.cathemerium. J. Parasitol, 56, 17-26.
  • 78. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 70 Julho/2010Himber, C.; Dunoyer, P.; Moissiard, G.; Ritzenthaler, C. e Voinnet, O. (2003). Transitivity-dependentand -independent cell-to-cell movement of RNA silencing. EMBO Journal 22:4523-33.Hoffman, S. L., Miller, L. H. (1996). Perspectives on malaria vaccine development. In: Hoffman, S.L.,editor. Malaria vaccine development. Whashington: ASM Press, 1-13.Hotta, C. T., Gazarini, M., Beraldo, F. H., Varotti, F. P., Lopes, C., Markus, R. P., Pozzan, T. andGarcia, C. R. (2000). Calcium-dependent modulation by melatonin of the circadian rhythm inmalarial parasites. Nature Cell Biol, 2, 466-468.Hotta, C. T., Markus, R. P. and Garcia,C. R. S. (2003). Melatonin and N-acetyl-serotonin cross the redblood cell membrane and evoke calcium mobilization in malarial parasites. Brazilian Journal ofMedical and Biological Reserc, 36, 1583-1587.Hubbard, S. R, Till, J. H. (2000). Protein tyrosine kinase structure and function. Annual Review ofbiochemistry, 69, 373-398.Hubbard, S. R., Miller, W. T. (2007) Receptor tyrosine kinase: mechanisms of activation and signaling.Current Opinion in Cell Biology, 19, 117-123.Hutvagner, G.; Mclachlan, J.; Pasquinelli, A.E.; Balint, E.; Tuschl, T. e Zamore, P.D. (2001). A cellularfunction for the RNAinterference enzyme Dicer in the maturation of the let-7 small temporalRNA. Science 293:837-8.Hutvagner, G.; Mlynarova, L. e Nap, J.P. (2000). Detailed characterization of the posttranscriptionalgene-silencing-related small RNA in a GUS gene-silenced tobacco. RNA 6:1445-54.Isoldi, M. C., Castrucci, A. M. L. (2007) Sinalização celular. In: Aires. M. M. Fisiologia. 3 edição. Ed.Guanabara & Koogan, Rio de Janeiro, pp. 57-94.Kasschau, K.D. e Carrington, J.C. (1998). A counterdefensive strategy of plant viruses: Suppressionof posttranscriptional gene silencing. Cell 95:461-70.Kasschau, K.D.; Xie, Z.; Allen, E.; Llave, C.; Chapman, E.J.; Krizan, K.A. e Carrington, J.C. (2003).P1/HC-Pro, a viral suppressor of RNA silencing, interferes with Arabidopsis development andmiRNA function. Developmental Cell 4:205-17.Kennerdell, J.R.; Yamaguchi, S. e Carthew, R.W. 2002. RNAi is activated during Drosophila oocytematuration in a manner dependent on aubergine and spindle-E. Genes & Development16:1884-9.Ketting, R.F.; Fischer, S.E.; Bernstein, E.; Sijen, T.; Hannon, G.J. e Plasterk, R.H. (2001). Dicerfunctions in RNA interference and in synthesis of small RNA involved in developmental timing inC. elegans. Genes & Development 15:2654-9.Kidner, C.A. e Martienssen, R.A. (2003). Macro effects of microRNAs in plants. Trends in Genetics19:13-6.Kjemtrup, S.; Sampson, K.S.; Peele, C.; Nguyen, L.; Conkling, M.; Thompson, W. e Roberson, D.(1998). Gene silencing from DNA carried by a geminivirus. Plant Journal 14:91-100.Klemba, M. and Goldberg, D. E. (2002) Biological roles of proteases in parasitic protozoa. Annul Rev.Biochem, 71, 275-305.Kloda, A., Martinac, B., Adams, D. J. (2007) Polymodal Regulation of NMDA Receptor Channels.Channels, 5, 334-343.Knight, S.W. e Bass, B.L. (2001). A role for the RNase III enzyme DCR-1 in RNA interference andgerm line development in Caenorhabditis elegans. Science 293:2269-71.
  • 79. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 71Kumagai, M.H.; Donson, J.; Della-Cioppa, G.; Harvey, D.; Hanley, K. e Grill, L.K. (1995).Cytoplasmatic inhibition of carotenoid biosynthesis with virus-derived RNA. Proceedings of theNational Academy of Sciences, USA 92:1679-83.Lagos-Quintana, M.; Rauhut, R.; Lendeckel, W. e Tuschl, T. (2001). Identification of novel genescoding for small expressed RNAs. Science 294:853-8.Lagos-Quintana, M.; Rauhut, R.; Meyer, J.; Borkhardt, A. e Tuschl, T. (2003). New microRNAs frommouse and human. RNA 9:175-9.Lagos-Quintana, M.; Rauhut, R.; Yalcin, A.; Meyer, J.; Lendeckel, W. e Tuschl, T. (2002). Identificationof tissue-specific microRNAs from mouse. Current Biology 12:735-9.Lau, N.C.; Lim, L.P.; Weinstein, E.G. e Bartel, D.P. (2001). An abundant class of tiny RNAs withprobable regulatory roles in Caenorhabditis elegans. Science 294:858-62.Lee, D.W.; Pratt, R.J.; Mclaughlin, M. e Aramayo, R. (2003a). An argonaute-like protein is required formeiotic silencing. Genetics 164:821-8Lee, D.W.; Seong, K.Y.; Pratt, R.J.; Baker, K. e Aramayo, R. (2004a). Properties of unpaired DNArequired for efficient silencing in Neurospora crassa. Genetics 167:131-50.Lee, R.C. e Ambros, V. (2001). An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. Science294:862-4.Lee, R.C.; Feinbaum, R.L. e Ambros, V. (1993). The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodessmall RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell 75:843-54.Lee, Y.; Ahn, C.; Han, J.; Choi, H.; Kim, J.; Yim, J.; Lee, J.; Provost, P.; Radmark, O.; Kim, S. e Kim,V.N. (2003b). The nuclear RNase III Drosha initiates microRNA processing. Nature 425:415-9.Lee, Y.; Kim, M.; Han, J.; Yeom, K.-H.; Lee, S.; Baek, S.H. e Kim, V.N. (2004b). MicroRNA genes aretranscribed by RNA polymerase II. EMBO Journal 23:4051-60.Lee, Y.S.; Nakahara, K.; Pham, J.W.; Kim, K.; HE, Z.; Sonthimer, E.J. e Carthew, R.W. (2004c).Distinct roles for Drosophila Dicer-1 and Dicer-2 in the siRNA/miRNA silencing pathways. Cell117:69-81.Levitzki, A. (2003). Protein kinase inhibitors as a therapeutic modality. Accounts of chemical research,36, 462-469.Lewin, B. (1998). The mystique of epigenetics. Cell 93:301-3.Lewis, B.P.; Shih, I.-H.; Jones-Rhoades, M.W.; Bartel, D.P. e Burge, C.B. (2003). Prediction ofmammalian microRNA targets. Cell 115:787-98.Lim, L.P.; Glasner, M.E.; Yekta, S.; Burge, C.B. e Bartel, D.P. (2003a). Vertebrate microRNA genes.Science 299:1540.Lim, L.P.; Lau, N.C.; Weinstein, E.G.; Abdelhakim, A.; Yekta, S.; Rhoades, M.W.; Burge, C.B. e Bartel,D.P. (2003b). The microRNAs of Caenorhabditis elegans. Genes & Development 17:991- 1008.Lindbo, J.A.; Silva-Rosales, L. e Dougherty, W.G. (1993ª). Pathogen derived resistance to potyviruses- working, but why. Seminars in Virology 4:369-79.Lindbo, J.A.; Silva-Rosales, L.; Probsting, W.M. e Dougherty, W.G. (1993b). Induction of a highlyspecific antiviral state in transgenic plants: Implications for regulation of gene expression andvirus resistance. Plant Cell 5:1749-59.
  • 80. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 72 Julho/2010Liu, J.; Carmell, M.A.; Rivas, F.V.; Marsden, C.G.; Thomson, J.M.; Song, J.J.; Hammond, S.M.;Joshua-Tor, L. e Hannon, G.J. (2004). Argonaute2 is the catalytic engine of mammalian RNAi.Science 305:1437-41.Liu, Q.; Rand, T.A.; Kalidas, S.; Du, F.; Kim, H.E.; Smith, D. e Wang, X. (2003). R2D2, a bridgebetween the initiation and effector steps of the Drosophila RNAi pathway. Science 301:1921-5.Lu, C. e Fedoroff, N. (2000). A mutation in the Arabidopsis HYL1 gene encoding a dsRNA bindingprotein affects responses to abscisic acid, auxin, and cytokinin. Plant Cell 12:2351-66.Lucas, W.J.; Yoo, B.C. e Kragler, F. (2001). RNA as a long-distance information macromolecule inplants. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2:849-57.Lund, E.; Guttinger, S.; Calado, A.; Dahlberg, J.E. e Kutay, U. (2004). Nuclear export of microRNAprecursors. Science 303:95-8.Madeira, L., DeMarco, R., Gazarini, M. L., Verjovski-Almeida, and Garcia, C. R. (2003). Humanmalaria parasites display a receptor for activated C kinase ortholog. Biochem Biophys ResCommum, 306, 995-1001.Mallory, A.C.; Mlotshwa, S.; Bowman, L.H. e Vance, V.B. (2003). The capacity of transgenic tobaccoto send a systemic RNA silencing signal depends on the nature of the inducing transgene locus.Plant Journal 35:82-92.Martinez, J.; Patkaniowska, A.; Urlaub, H.; Hrmann, R.L. e Tuschl, T. (2002). Single-strandedantisense siRNAs guide target RNA cleavage in RNAi. Cell 110:563-74.Matzke, M.; Matzke, A.J. e Kooter, J.M. (2001). RNA: Guiding gene silencing. Science 293:1080-3.Matzke, M.A. e Birchler, J.A. (2005). RNAi-mediated pathways in the nucleus. Nature ReviewsGenetics 6:24-35.McKerrow, J. H., Sun, E., Rosenthal, P. J., Bouvier, J. (1993). The proteases and pathogenicity ofparasitic protozoa. Annu Revericrobiol, 47, 821-853.Meister, G.; Landthaler, M.; Patkaniowska, A.; Dorsett, Y.; Teng, G. e Tuschl, T. (2004). HumanArgonaute2 mediates RNA cleavage targeted by miRNAs and siRNAs. Molecular Cell 15:185-97.Mette, M.F.; Aufsatz, W.; Van Der Winden, J.; Matzke, M.A. e Matzke, A.J.M. (2000). Transcriptionalsilencing and promoter methylation triggered by double-stranded RNA. EMBO Journal 19:5194-201.Mochizuki, K. e Gorovsky, M.A. (2004a). Small RNAs in genome rearrangement in Tetrahymena.Current Opinion in Genetics & Development 14:181-7.Montgomery, M.K. e Fire, A. (1998). Double-stranded RNA as a mediator in sequence-specific geneticsilencing and co-suppression. Trends in Genetics 14:255-8.Morel, J.B.; Godon, C.; Mourrain, P.; Beclin, C.; Boutet, S.; Feuerbach, F.; Proux, F. e Vaucheret, H.(2002). Fertile hypomorphic ARGONAUTE (ago1) mutants impaired in posttranscriptional genesilencing and virus resistance. Plant Cell 14:629-39.Mourelatos, Z.; Dostie, J.; Paushkin, S.; Sharma, A.; Charroux, B.; Abel, L.; Rappsilber, J.; Mann, M. eDreyfuss, G. (2002). miRNPs: a novel class of ribonucleoproteins containing numerousmicroRNAs. Genes & Development 16:720-8.Mueller, E.; Gilbert, J.; Davenport, G.; Brigneti, G. e Baulcombe, D.C. (1995). Homology-dependentresistance – transgenic virus resistance in plants related to homology-dependent genesilencing. Plant Journal 7:1001-13.
  • 81. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 73Nakahara, K. e Carthew, R.W. (2004). Expanding roles for miRNAs and siRNAs in cell regulation.Current Opinion in Cell Biology 16:127-33.Napoli, C.; Lemieux, C. e Jorgensen, R. (1990). Introduction of a chimeric chalcone synthase geneinto petunia results in reversible cosuppression of homologous genes in trans. Plant Cell 2:279-89.Neurath, H. (1989). The diversity of proteolytic enzymes. In: Proteolytic enzymes: a practical approach(Beynon, R.J. and Bond, J.S., eds.), pp.1-13. Oxford:IRL Press.Okamura, K.; Ishizuka, A.; Siomi, H. e Siomi, M.C. (2004). Distinct roles for Argonaute proteins insmall RNA-directed RNA cleavage pathways. Genes & Development 18:1655-66.Olliaro, P., Cattani, J., Wirth, D. (1996). Malaria, the submerged disease. JAMA 275, 230-233.Olsen, P.H. e Ambros, V. (1999). The lin-4 regulatory RNA controls developmental timing inCaenorhabditis elegans by blocking LIN-14 protein synthesis after initiation of translation.Developmental Biology 216:671-80.Palatnik, J.F.; Allen, E.; Wu, X.; Schommer, C.; Schwab, R.; Carrington, J.C. e Weigel, D. (2003).Control of leaf morphogenesis by microRNAs. Nature 425:257-63.Palauqui, J.-C.; Elmayan, J.M. e Vaucheret, H. (1997). Systemic acquired silencing: Transgene-specific post-transcriptional silencing is transmitted by grafting from silenced stocks to non-silenced scions. EMBO Journal 16:4738-45.Papp, I.; Mette, M.F.; Aufsatz, W.; Daxinger, L.; Schauer, S.E.; Ray, A.; Van Der Winden, J.; Matzke,M. e Matzke, A.J. (2003). Evidence for nuclear processing of plant microRNA and shortinterfering RNA precursors. Plant Physiology 132:1382-90.Park, W.; Li, J.; Song, R.; Messing, J. e Chen, X. (2002). CARPEL FACTORY, a Dicer homolog, andHEN1, a novel protein, act in microRNA metabolism in Arabidopsis thaliana. Current Biology12:1484-95.Parrish, S.; Fleenor, J.; Xu, S.; Mello, C. e Fire, A. (2000). Functional anatomy of a dsRNA trigger:Differential requirement for the two trigger strands in RNA interference. Molecular Cell 6:1077-87.Pasquinelli, A.E.; Rreinhart, B.J.; Slack, F.; Martindale, M.Q.; Kuroda, M.I.; Maller, B.; Hayward, D.C.;Ball, E.E.; Degnan, B.; Muller, P.; Spring, J.; Srinivasan, A.; Fishman, M.; Finnerty, J.; Corbo, J.;Levine, M.; Leahy, P.; Davidson, E. e Ruvkun, G. (2000). Conservation of the sequence andtemporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Nature 408:86-9.Passos, A. P. D. and Garcia, C. R. S. (1997). Characterization of Ca2+transport activity associatedwith a non-mithochondrial calcium pool in the rodent malaria parasite P.chabaudi. Biochem Mol.Biol Int, 42, 919-925.Pham, J.W.; Pellino, J.L.; Lee, Y.S.; Carthew, R.W. e Sontheimer, E.J. (2004). A Dicer-2-dependent80s complex cleaves targeted mRNAs during RNAi in Drosophila. Cell 117:83-94.Pierce, K. L., Premont, R. T., Lefkowitz, R. J. (2002). Seven-transmembrane receptors. NatureReviews Molecular Cell Biology, 3, 639-650Plasterk, R.H. (2002). RNA silencing: The genomes immune system. Science 296:1263-5.Rang, H. P., Dale, M. M. (2007). Farmacologia. 6aedição. Ed. Elsevier. Rio de Janeiro, 24-53.Reinhart, B.J. e Bartel, D.P. (2002). Small RNAs correspond to centromere heterochromatic repeats.Science 297:1831.
  • 82. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 74 Julho/2010Reunhart, B.J.; Weinstein, E.G.; Rhoades, M.W.; Bartel, B. e Bartel, D.P. (2002). MicroRNAs in plants.Genes & Development 16:1616-26.Rhoades, M.W.; Reinhart, B.J.; Lim, L.P.; Burge, B.; BARTEL, B. E Bartel, D.P. (2002). Prediction ofplant microRNA targets. Cell 110:513-20.Ribeiro, R. C, Kushner, P. J., Baxter, J. D. (1995). The nuclear hormone receptor gene superfamily.Annual Review of Medicine, 46, 443-453.Romano, N. e Macino, G. (1992). Quelling: Transient inactivation of gene expression in Neurosporacrassa by transformation with homologous sequences. Molecular Microbiology 6:3343-53.Rosenthal, P. J. (1998). Proteases of malaria parasites: new targets for chemotherapy . EmergingInfectious Diseases, 4, 49-57.Rosenthal, P. J. (1999). Proteases of protozoan parasites. Advances in Parasitology, 43, 105-159.Roth, E. F., Brotman, D. S., Vanderberg, J. P. and Schulman, S. (1986). Malarial pigment-dependenterror in the estimulation of hemoglobin content in Plasmodium falciparum-infected red cells:implications for metabolic and biochemical studies of the erythrocytic phases of malaria. Am. J.Trop. Med. Hyg, 35, 906-911.Ruiz, M.T.; Voinnet, O. e Baulcombe, D.C. (1998). Initiation and maintenance of virus-induce genesilencing. Plant Cell 10:937-46.Sasaki, T.; Shiohama, A.; Minoshima, S. e Shimizu, N. (2003). Identification of eight members of theArgonaute family in the human genome. Genomics 82:323-30.Schaafsma, D., Roscioni, S. S., Meurs, H., Schmidt, M. (2008). Monomeric G-proteins as signaltransducers in airway physiology and pathophysiology. Cellular Signalling, 20, 1705-1714.Schenk, P. W., Snaar-Jagalska, B. (1999). Signal perception and transduction: the role of proteinkinases. Biochimica et biophysica acta, 1449, 1-24.Schwartz, J. H. (2001). The many dimensions of cAMP signaling. Proceedings of the nationalacademy of Science, 98, 13482-13484.Schwarz, D.S.; Hutvagner, G.; Haley, B. e Zamore, P.D. (2002). Evidence that siRNAs function asguides, not primers, in the Drosophila and human RNAi pathways. Molecular Cell 10:537-48.Slack, F.J.; Basson, M.; Liu, Z.; Ambros, V.; Horvitz, H.R. e Ruvkun, G. (2000). The lin-41 RBCC geneacts in the C. elegans heterochronic pathway between the let-7 regulatory RNA and the LIN-29transcription factor. Molecular Cell 5:659-69.Smalheiser, N.R. (2003). EST analyses predict the existence of a population of chimeric microRNAprecursor-mRNA transcripts expressed in normal human and mouse tissues. Genome Biology4:403.Squire, L. R, Bloom, F. E., McConnell, S. K., Roberts, J. L., Spitzer, N. C., Zigmound, M. J. (2003).Fundamental Neuroscience. 2aedição, Ed.Academic Press, 225-258.Scheibel, L. W. and Sherman, I. W. (1988). Plasmodium metabolism and related organellar functionduring various stages of life-cycle: Proteins, lipids, nucleic acids and vitamins.In: Malaria:Principles and Practice of Malariology. (Wernsdorfer, W.H. and McGregor, I., eds.) pp.219-252;Edinburgh: Churchill Livingstone.Sturn, A., Amino, R., Sand, C., Regen, T., Retzlaff, S., Rennenberg, A., Krueger, A., Pollok, J.,Menard, R., Heussler, V. (2006). Manipulation of host hepatocytes by the malaria parasite fordelivery into liver sinusoids. Science, 313,1287-1290.
  • 83. Sinalização CelularJulho/2010 Pág. 75Taverna, S.D.; Coyne, R.S. e Allis, C.D. (2002). Methylation of histone H3 at lysine 9 targetsprogrammed DNA elimination in Tetrahymena. Cell 110:701-11.Tenbaum, S., Baniahmad, A. (1997). Nuclear receptor: structure, function and involvement in disease.The International Journal of Biochemistry and Cell Biology. 29, 1325-1341.Tijsterman, M.; Ketting, R.F. e Plasterk, R.H. (2002). The genetics of RNA silencing. Annual Review ofGenetics 36:489-519.Timmons, L. e Fire, A. (1998). Specific interference by ingested dsRNA. Nature 395:854.Timmons, L.; Court, D.L. e Fire, A. (2001). Ingestion of bacterially expressed dsRNAs can producespecific and potent genetic interference in Caenorhabditis elegans. Gene 263:103-12.Togashi, M., Borngraeber, S., Sandler, B., Fletterick, R. J., Webb, P., Baxter, J. D. (2005).Conformational adaptation of nuclear receptor lignd binding domains to agonists: potential fornovel approaches to ligand design. The Journal of steroid biochemistry and molecular biology,93, 127-137.Tuschl, T. (2003). New microRNAs from mouse and human. RNA 9:175-9.Varoti, F. P., Beraldo, F. H., Gazarini, M. L., Garcia, C. R. (2003) Plasmodium falciparum malariaparasites display a THG-sensitive Ca 2+pool. Cell Calcium, 33, 137-44.Vaucheret, H. e Fagard, M. (2001). Transcriptional gene silencing in plants: Targets, inducers andregulators. Trends in Genetics 17:29-35.Vaucheret, H.; Beclin, C. e Fagard, M. (2001). Post-transcriptional gene silencing in plants. Journal ofCell Science 114:3083-91.Vaucheret, H.; Vazquez, F.; Crete, P. e Bartel, D.P. (2004). The action of ARGONAUTE1 in themiRNA pathway and its regulation by the miRNA pathway are crucial for plant development.Genes & Development 18:1187-97.Verdel, A.; Jia, S.T.; Gerber, S.; Sugiyama, T.; Gygi, S.; Grewal, S.I.S. e Moazed, D. (2004). RNAi-mediated targeting of heterochromatin by the RITS complex. Science 303:672-6.Voinnet, O. e Baulcombe, D.C. (1997). Systemic signalling in gene silencing. Nature 389:553.Voinnet, O.; Vain, P.; Angell, S. e Baulcombe, D.C. (1998). Systemic spread of sequence-specifictransgene RNA degradation in plants is initiated by localized introduction of ectopicpromoterless DNA. Cell 95:177-87.Volpe, T.A.; Kidner, C.; Hall, I.M.; Teng, G.; Grewal, S.I.S. e Martienssen, R.A. (2002). Regulation ofheterochromatic silencing and histone H3 lysine-9 methylation by RNAi. Science 297:1833-7.Wassengger, M.; Heims, S.; Riedel, L. e Sanger, H. (1994). RNAdirected de novo methylation ofgenomic sequences in plants. Cell 76:567-76.Wettschureck, N., Offermanns, S. (2005). Mammalian G Proteins and Their Cell Type SpecificFunctions. Physiology Reviews, 85, 1159-1204.Williams, R.W. e Rubin, G.M. (2002). ARGONAUTE1 is required for efficient RNA interference inDrosophila embryos. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 99:6889-94.Woodard, G. E., Rosado, J. A. (2008). Natriuretic peptides in vascular physiology and pathology.International review of cell and molecular biology, 268, 59-93.Wrighton, K. H., Lin, X., Feng, X. H. (2009). Phospho-control of TGF-beta superfamily signaling. CellResearch, 19, 8-20.
  • 84. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 76 Julho/2010Xie, Z.; Johansen, L.K.; Gustafson, A.M.; Kasschau, K.D.; Lellis, A.D.; Zilberman, D.; Jacobson, S.E. eCarrington, J.C. (2004). Genetic and functional diversification of small RNA pathways in plants.PLoS Biology 2:E104.Xie, Z.; Kasschau, K.D. e Carrington, J.C. (2003). Negative feedback regulation of Dicer-Like1 inArabidopsis by microRNA-guided mRNA. Current Biology 13:784-9.Yi, R.; Qin, Y.; Macara, I.G. e Cullen, B.R. (2003). Exportin-5 mediates the nuclear export of pre-microRNAs and short hairpin RNAs. Genes & Development 17:3011-16.Yoo, B.C.; Kragler, F.; Varkonyi-Gasic, E.; Haywood, V.; Archer-Evans, S.; Lee, Y.M.; Lough, T.J. eLucas, W.J. (2004). A systemic small RNA signaling system in plants. Plant Cell 16:1979- 2000.Zamore, P.D.; Tuschl, T.; Sharp, P.A. e Bartel, D.P. (2000). RNAi: Double-stranded RNA directs theATP-dependent cleavage of mRNA at 21 to 23 nucleotide intervals. Cell 101:25-33.Zeng, Y. e Cullen, B.R. (2002). RNA interference in human cells is restricted to the cytoplasm. RNA8:855-60.
  • 85. Unidade 3Neurociências¹Leopoldo Barletta Marchellileopoldo.barletta@gmail.com²Breno Teixeira Santosbreno.santos@gmail.com¹Felipe Viegas Rodriguesrodrigues.fv@gmail.com¹Laboratório de Neurociência e Comportamento²Laboratório de Fisiologia TeóricaO entendimento atual sobre origem, funcionamento e capacidade do sistemanervoso é resultado do esforço de múltiplas áreas do conhecimento, denominadasgenericamente por neurociências. Esta ampla área inclui disciplinas comoneuroanatomia (estudo da estrutura do sistema nervoso), neurofisiologia (estudo dofuncionamento de células nervosas e conjuntos de células nervosas),neuropsicologia (estudo dos processos cognitivos e suas relações com anatomia efisiologia) e até mesmo a engenharia (modelagem analítica e computacional deversões simplificadas de células neurais, chegando a simulação de redes demilhares de neurônios).Baseado no conhecimento de todas essas disciplinas, apresentaremos asneurociências desde seus primórdios até o conhecimento atual. Abordaremos asprincipais funções cognitivas no estudo das neurociências como atenção,percepção, ação, memória e emoção, empregando o conceito de modularidade dofuncionamento do sistema nervoso. Também abordaremos modelos de processosbiofísicos e métodos de análise quanti/qualitativa da dinâmica neural, mas utilizandoos conhecimentos da engenharia, que busca obter estruturas teóricas básicas quedelineiam o funcionamento global desses sistemas.
  • 86. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 78 Julho/2010Capítulo 8 História da neurociência pág. 79Camile Maria Costa CorrêaRevisado por Dr. Gilberto Fernando XavierCapítulo 9 Princípios básicos em fisiologia neural pág. 89Renata Pereira LimaRevisado por Dr. Gilberto Fernando XavierCapítulo 10 Fisiologia sensorial pág. 103Felipe Viegas RodriguesRevisado por Andreas Betz e Daiane Gil FrancoCapítulo 11 Neurofisiologia da visão pág. 115Antônio Carlos da SilvaRevisado por Dr. Carlos Arturo NavasCapítulo 12 Causa e função pág. 121Dr. Pedro Leite RibeiroCapítulo 13 Percepção pág. 127Felipe Viegas RodriguesRevisado por Arnaldo Cheixas-DiasCapítulo 14 Memória e seus aspectos evolutivos pág. 139Leopoldo Barletta MarchelliCapítulo 15 Navegação espacial pág. 153Cyrus Villas-BoasCapítulo 16 Neurobiologia das emoções pág. 163Bárbara OnishiCapítulo 17 Neurofisiologia da linguagem pág. 179Rodrigo CollinoRevisado por Dr. Gilberto Fernando XavierCapítulo 18 Neurofisiologia da música pág. 187Felipe Viegas RodriguesRevisado por: Dr. Pedro Leite RibeiroDr.Leonardo Henrique R. G.de LimaBibliografia pág. 194
  • 87. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 79História da NeurociênciaCamile Maria Costa CorrêaLaboratório de Neurociência e Comportamentocamile.mc.correa@gmail.comIntroduçãoComo pensamos? Como interpretamos a nossa realidade? De que forma situamo-nos no mundo e desenvolvemos nossa identidade, nossas relações, crenças e loucuras?Como nos emocionamos, sonhamos e experienciamos consciência? Como foi possíveldesenvolvermos filosofia, ciência e artes? Haveria uma chave para entender os mistérios davida mental?Atualmente, nosso conhecimento entende o cérebro como órgão responsável pelocomportamento e pelas faculdades mentais. Também aprendemos que fenômenoseletroquímicos são os responsáveis pelo funcionamento do sistema nervoso. No entanto,esses conhecimentos são relativamente recentes e durante muitos séculos as crenças sobrea maneira de funcionar do cérebro foram radicalmente diferentes das professadas hoje.Investigar o tratamento histórico dessas questões permite vislumbrar de quemaneiras a humanidade vem formulando perguntas fundamentais sobre os aspectos daquiloque tradicionalmente identificamos como mente: sua existência, essência, localização,estrutura e função. Todos os passos, dos mais intuitivos aos mais rigorosos do ponto devista experimental, constituem juntos os alicerces do conhecimento que hoje relacionamos àneurociência.A mente nas antigas civilizaçõesSabe-se que as civilizações antigas exerciam uma produção cultural muito rica. Háregistros de povos primitivos que praticavam religiões e acreditavam em entidades tais comoalma e espírito. Interessantemente, além de estarem presentes no domínio do corpo, elaspermeavam a própria natureza.Entretanto, essas culturas não contavam com o que hoje se conhece sobre fisiologia,fazendo com que as tentativas de localização da mente soassem simplesmente ilógicas,uma vez que as pistas das sedes para os fenômenos mentais eram intuídas a partir deobservações cotidianas. Havia evidências de que a mente poderia estar dentro da cabeçaao perceber, por exemplo, que um trauma nessa região poderia causar alteraçõessubstanciais da percepção e do comportamento.Uma evidência da aposta nessa localização são os achados dos rituais detrepanação. A trepanação é uma técnica cirúrgica de abertura de uma ou mais fendas nocrânio, com o provável intuito de afastar maus espíritos. Povos antigos, como os maias,
  • 88. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 80 Julho/2010(2000 a.C. – 900 d.C.) realizavam esse tipo de procedimento em pessoas acordadas,provavelmente acreditando que espíritos maus existentes no interior da cabeça seriam osresponsáveis por patologias tais como epilepsia e o estado de coma e, uma vez feitas essasaberturas, os espíritos poderiam escapar, o que promoveria a recuperação e cura. Crânioscom perfurações feitas em vida foram encontrados em sítios que datam de até 10.000 anos.Pela cicatrização, há indícios de que as pessoas sobreviviam a esse procedimento.Ora, alguns casos de coma eram devidos a um aumento da pressão intracraniana e essacirurgia realmente promove alívio da hipertensão intracraniana podendo, em alguns casos,ter até valor terapêutico. Cadáveres dessa forma foram encontrados em quase todas ascivilizações do mundo e, mesmo povos modernos, como os da Oceania, ainda praticamessa laboriosa e arriscada cirurgia.Uma segunda questão tão intrigante quanto a localização diz respeito à forma comomente e corpo viriam a se influenciar. Se uma mente existe e se ela está no corpo, qual omecanismo de interação dessa mente com esse corpo?Um outro indício, documental, de que há muito se associava o cérebro à mente é oPapiro Cirúrgico de Edwin Smith, americano que adquiriu a relíquia em 1862. Considerada otratado científico mais antigo conhecido, foi escrito no Egito e data, embora não hajaconsenso, de 1600 a.C. Lá estão descritos 30 casos de referências diretas ao cérebro.Descrições anatômicas, traumatológicas e clínicas, com detalhes sobre o que acontecia comum trauma de guerra, provocando epilepsia, convulsões, paralisia, problemas sensoriais eaté alteração do sistema nervoso autônomo nas pessoas que haviam sido vítimas dessaslesões.Abordagens Filosóficas PioneirasFoi na Antigüidade Grega, com o florescimento intelectual em Atenas, por volta de400-300 anos a.C., que começou a surgir o pensamento sistematizado sobre algumasperguntas relativas à mente. (Consenza, 2002).Na cultura ocidental, Alcmaeon de Crotona (século V a.C.) foi possivelmente oprimeiro a localizar no cérebro a sede das sensações. Para ele, os nervos ópticos, queseriam ocos, levariam a informação ao cérebro, onde cada modalidade sensorial teria seupróprio território de localização.Ainda no século V a.C., Demócrito, Diógenes, Platão e Teófrasto punham no cérebroo comando das atividades corporais. Também entre os gregos, Herófilo (335-280 a.C.), quedissecou e escreveu sobre o cérebro, foi o primeiro a descrever suas cavidades, osventrículos cerebrais, associando-os às funções mentais. Essa idéia, como veremos, teveenorme importância na “neurofisiologia” dos séculos que se seguiram.Os filósofos gregos Alcaemeon e Demócrito acreditavam que a sede da mente era o
  • 89. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 81cérebro. Para eles, a constituição interna dos nervos era oca e seriam estas as estruturasresponsáveis por transmitir uma espécie de fluido vital, chamado espírito animal, base damente, da alma e até da alma imortal.Na filosofia ocidental dois nomes entraram em intenso debate. Hipócrates - o pai damedicina - e Aristóteles, pai das ciências do conhecimento natural, cujas idéias forampropagadas até a idade moderna.Hipócrates (460-379 a.C.) acreditava que o cérebro era a sede da mente, dossentimentos e das emoções; ele seria a estrutura responsável pelos sonhos, terroresnoturnos e problemas mentais. "Deveria ser sabido que ele é a fonte do nosso prazer,alegria, riso e diversão, assim como nosso pesar, dor, ansiedade e lágrimas, e nenhumoutro que não o cérebro. Na época não havia conhecimento sistematizado sobre a anatomiacerebral, pois não se praticavam dissecações. As declarações hipocráticas eram, portanto,fruto de intuições filosóficas baseadas na observação clínica de que o cérebro seria a sedede tudo o que hoje se acredita que seja (juízo, emoções, sentimentos etc.)Porém, esse conhecimento dos hipocráticos sofreu uma regressão com Aristóteles,(384 a.C. - 322 a.C)., para quem a sede dos referidos fenômenos estava no coração. Seusargumentos eram simples: o coração hospeda a razão por ser quente e ativo, enquanto océrebro serve para resfriar o sangue, por ser frio e inerte. Ora, quando se experiencia umaemoção forte, ela é sentida no coração, pela ativação simpática. Diz-se que o coração estápesado, que se gosta de alguém “de coração” ou até mesmo que se sabe algo de cor; dolatim, decorado. Acreditava-se, inclusive, que até a memória estaria no coração.Na época, associou-se erradamente o efeito à causa, quer dizer, a emoção está nocérebro, a sua expressão está no coração. Porém, Aristóteles não era experimentador, eraum filósofo, pensava essencialmente de acordo com a lógica.O médico romano Galeno (130-200) foi importante na história da neurociênciaporque foi o primeiro a refutar o que disse Aristóteles. Para aquele, não haveria sentido emafirmar que o cérebro tivesse a função de esfriar as paixões do coração. Pela dissecação deanimais ele destinou muita atenção às meninges e às cavidades encefálicas (contrastantescom a massa, amorfa, cerebral) fazendo com que se buscasse relacionar os ventrículos coma mente.Os ventrículos pareciam ser estruturas-chave na procura pela sede da mente porserem espaços destacados, cheios de líquidos, e, uma vez que ainda era forte a idéia vindados gregos de que a mente seria intermediada pelo espírito animal, várias pistas indicavamque aqueles ventrículos cheios de fluido fossem a sua sede.Esse conceito de Galeno foi apropriado durante toda a Idade Média pela ciênciamédica. Acreditava-se, por especulação puramente teórica, que havia três células dosventrículos no cérebro. A primeira célula (anterior) seria responsável pela sensação e
  • 90. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 82 Julho/2010percepção (nervos ligando os órgãos dos sentidos ao ventrículo 1). A segunda célula seria aresponsável pelo juízo, pensamento e razão (ventrículos laterais; faculdades nobres, fluidoresfriado e o refugo seria filtrado pelo sangue). Já a terceira seria a responsável pelamemória, e utilizada pelos outros dois ventrículos para o funcionamento cerebral. Leonardoda Vinci, grande anatomista, também fez desenhos dos ventrículos cerebrais.Até aqui, tem-se uma teoria da mente que, embora não se baseasse na fisiologia,não deixava de apresentar uma certa consistência interna. A idéia dos fluidos vigeu durantemuitos séculos.Foi apenas a partir da Renascença que houve mudanças mais pronunciadas, peloconhecimento mais detalhado sobre a anatomia do cérebro. (Consenza, 2002). Oanatomista Vesalius, (1514-1564) escreveu o livro “Da Estrutura do Corpo Humano” em queele, através das dissecções que realizava em seres humanos e em outros animais, notouque estes (inclusive asnos e jumentos) também tinham ventrículos. Observou-se que oespaço ventricular nos homens e em outros primatas era praticamente do mesmo tamanho,ao contrário do restante do cérebro que, no homem, mostrava diferenças. Dessa forma,seria lógico pensar que os aspectos intelectuais superiores, tão peculiares a nós, estariamnão nos ventrículos, mas em outras partes do cérebro.Contudo, continuou-se a acreditar que os ventrículos cerebrais eram um local dearmazenamento dos espíritos animais, de onde eles partiriam para, através dos nervos,atingir os órgãos sensoriais ou de movimento. Assim, a teoria da localização ventricularperdurou por muito tempo.Descartes e o mecanicismoNo século XVII, o filósofo, matemático e naturalista René Descartes (1596-1650)especulava sobre a natureza do sistema nervoso, sobre de que maneira ele funcionariacomo a base da mente. Ele propôs o mecanismo da ação reflexa, fenômeno que ocorrequando, ao encostar-se num estímulo nocivo, como o fogo, retira-se o membro de formarápida e involuntária.Descartes propôs que o estímulo, ao atingir o pé, seria transmitido pelos nervos até océrebro, sendo que essa transmissão seria conduzida de forma hidráulica. Assim, oaquecimento provocaria um aumento do fluxo do fluido (espírito animal) para o cérebro, queiria aos ventrículos, até a glândula pineal, (reguladora desse fluxo), voltando até o nervomotor, de forma a inchar o músculo tal qual um fole que promoveria, finalmente, omovimento do membro. (Consenza, 2002).Note-se que o modelo físico do cérebro na época era hidráulico, seguindo atecnologia disponível na época. Descartes comparou as fontes do jardim de Versailles, darealeza francesa, cujos mecanismos eram hidráulicos, com a própria complexidade do
  • 91. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 83sistema nervoso.Descartes fez uma série de desenhos, puramente especulativos, mostrando aestrutura fibrosa do cérebro humano; e ele especulava que a glândula pineal regulava ofluxo do espírito animal dentro do cérebro como se fosse uma válvula. Há desenhos doencéfalo inflado e desinflado; correspondendo ao estado de vigília e de sono. Eleargumentava que os fluxos iriam se acumulando durante o dia e inchando o cérebro e, ànoite, a pineal (válvula) entrava em funcionamento e isso promovia o sono.Nessa época almejava-se chegar ao conhecimento pela via da razão pura, dadialética, do exame da lógica das palavras e do conhecimento, em detrimento daexperimentação.O início dos experimentosEm fins do século XVIII (1780, 1790) inaugurou-se realmente a era científica. Nafísica, com Galileu Galilei, e na ciência biológica com outros dois italianos: Luigi Galvani eAlessandro Volta. Esses dois cientistas foram pioneiros no estudo experimental do sistemanervoso.A seguir são elencados quatro conceitos que, nos séculos XVIII e XIX, permearam oinício da era científica em neurociência (Consenza, 2002).1. A eletricidade animal: a idéia de que “espíritos animais” percorriam os nervos, cujaorigem remonta ao pensamento grego, permaneceu corrente até o Século XVIII,quando ficou demonstrada a natureza elétrica na condução nervosa, destacando-separa isso o trabalho de Luigi Galvani;2. A localização de áreas cerebrais: o conhecimento de que determinadas partes docérebro apresentam diferentes funções. Têm início as tentativas de aliar forma efunção para mapear faculdades cerebrais: ações motoras, percepções sensoriaisetc.;3. A doutrina neuronal: uma especialização da doutrina celular. Cientistas descobriramatravés do microscópio que as células não eram somente elementos estruturais, masos elementos funcionais de todos os organismos.4. A teoria da Evolução: a partir da segunda metade do século XIX até hoje se firmacomo o conceito mais revolucionário nas ciências biológicas; foi proposto por CharlesDarwin, cientista e naturalista inglês.No final do século XVIII, Luigi Galvani (1737-1798) notou que, ao amarrar as pernasde um sapo a uma grade metálica, submetendo-as a uma descarga, as pernas secontraíam. Na época, os modelos físicos também estavam em transformação. Uma hipótese
  • 92. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 84 Julho/2010seria a de que a eletricidade pudesse ser o fluido animal, a base do espírito vital. Aliado aessa descoberta, o magnetismo fez com que o paradigma hidráulico fosse banido daneurociência, que gradativamente passou a adotar o modelo elétrico. Galvani fez uma sériede experimentos elegantes, demonstrando que a origem da eletricidade não era externa,mas interna, do próprio tecido animal. A partir daí foram conduzidos os estudos sobre aspropriedades de comunicação no sistema nervoso.Os conceitos fundamentais sobre o papel do tecido cerebral para as funçõesnervosas também se desenvolveram no século XIX. Theodor Schwann (1810-1882), quedescreveu a bainha de mielina, foi quem primeiro propôs que todo o corpo seria formado porcélulas. Sua teoria teve ampla aceitação para todos os tecidos, com exceção do sistemanervoso, em relação ao qual se acreditava que as células eram contínuas, formando umgrande sincício. Somente com a descoberta das técnicas de impregnação das estruturasnervosas pela prata (método de Golgi) foi possível uma observação mais acurada,resultando nos trabalhos de Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) que, já em 1889,argumentava que as células nervosas eram elementos isolados. Em 1891 Wilhelm vonWaldeyer (1836-1921) cunhou o termo “neurônio” para designar a unidade anatômica efuncional do sistema nervoso.(Consenza, 2002).Finalmente veio a descoberta, por Charles Scott Sherrington (1857-1952), dosespaços existentes nas junções entre células nervosas ou entre estas e as célulasmusculares. Sherrington chamou essas estruturas de “sinapses”.Frenologia e a localização cerebralO médico alemão Franz Gall (1758-1828) propôs que o cérebro seria composto demuitos sub-órgãos particulares, cada um deles relacionado ou responsável por umadeterminada faculdade mental. Ele propôs que o desenvolvimento relativo das faculdadesmentais em um indivíduo levaria a um crescimento ou desenvolvimento de sub-órgãosresponsáveis por eles. Assim, a forma externa do crânio refletiria a forma interna do cérebro,cuja observação poderia ser usada para diagnosticar faculdades mentais. (Sabbatini, 1997).Embora não fosse experimentador, Gall propôs esse modelo em boa fé, porobservações feitas em centenas de crânios de pessoas normais, sentenciados, doentesmentais etc. Apesar de ter proposto uma teoria sem fundamentação científica, teve o méritode chamar a atenção da ciência para o localizacionismo, para o fato de que haveria ummapeamento das funções cerebrais em relação à sua estrutura.Esse movimento levou a uma série de estudos baseados em informações clínicas,principalmente pela incidência de tumores ou de lesões em seres humanos, que tornavapossível correlacionar alterações estruturais a disfunções comportamentais.O médico francês Pierre Broca mostrou que havia no cérebro uma área responsável
  • 93. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 85pela linguagem falada. Ele estudou um paciente afásico (capaz de emitir somente o som deuma palavra) e, quando da morte desse paciente, pela realização de necrópsia, foidescoberta uma lesão, originada pela sífilis, numa área muito pequena, restrita aohemisfério esquerdo. Chegou-se à conclusão de que aquela área era a responsávelexclusiva da elaboração da linguagem. Essa idéia foi a primeira comprovação científica deque tal mapeamento pudesse realmente existir.Novos ParadigmasNa esteira de transformações, toda a ciência sofreu o impacto da revoluçãoparadigmática proposta por Darwin, pesquisador que violou conceitos profundos na época;até então Deus teria criado o ser humano de maneira exclusiva, à parte do Reino Animal,sendo que não fazíamos parte dessa cadeia por sermos nobres, superiores. Darwin mostrouque éramos parte desse ambiente em evolução e, mais ainda, que à medida que osorganismos têm necessidade de se adaptar às mudanças no ambiente, eles desenvolvemtecidos (cerebrais e não cerebrais) para se adaptar àquela circunstância. A existência devários fenômenos naturais, inclusive o papel do sistema nervoso, passa a ser consideradaresultado da evolução pela seleção natural.Ainda um conceito fundamental na época é o de homeostase. Claude Bernard, umfisiologista francês da segunda metade do século, propôs um conceito do meio interno: aestabilidade, a temperatura corporal, a quantidade de determinados elementos sangüíneos,fluidos corporais ou intracelulares, tudo deve se manter constante para que seja possível avida. Assim, os organismos desenvolveram formas extremamente sofisticadas (hormonais eneurais) de manter esse equilíbrio interno a despeito de mudanças no ambiente. O cérebro,o sistema endócrino, o sistema imune, funcionavam como isoladores do organismo emrelação ao ambiente, a exemplo do processo regulatório da homeotermia.De forma análoga os próprios fenômenos mentais fariam igualmente parte dosmecanismos de homeostasia, indicando que até os comportamentos sofisticados como osdas faculdades da mente humana fossem vistos como resultados da evolução, como táticasselecionadas para manter o equilíbrio. Por exemplo, no frio, os mecanismos bioquímicospromotores da homeotermia podem não ser suficientes, o que nos leva a desenvolverroupas, casas, ou migrar para clima mais quente (utilização de faculdades mentais).Finalmente a doutrina neuronal foi proposta/adaptada por dois cientistas: Ramón yCajal (espanhol) e Camilo Golgi (italiano), que estudaram com grande detalhe a estruturamicroscópica interna do sistema nervoso e descobriram que essas células pareciam secomunicar entre si através de processos fibrosos (axônios e dendritos) e que não haviacontinuidade entre elas. O conceito de sinapse foi desenvolvido posteriormente, como visto,por Sherrington.
  • 94. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 86 Julho/2010O começo da psicologia experimentalA partir dessa época assistiu-se ao surgimento dos primeiros estudos deaprendizagem e memória; o conceito de reflexo condicionado, que foi elaborado por IvanPavlov, seria produto do funcionamento neuronal. Ele e Eric Kandel receberam o prêmioNobel, este último por sua contribuição para desvendar os mecanismos e as bases celularese moleculares do aprendizado. A partir daí vivemos uma revolução das técnicas advindas doconhecimento acumulado. Esse saber teve repercussões práticas, como o surgimento dapsiquiatria científica e a mudança conceitual que passou a considerar as doenças comodisfunções do cérebro e o conseqüente uso de conhecimentos psicológicos e fisiológicos naterapia. Os sintomas não eram mais devidos à possessão ou falta de caráter, masatribuíveis a desordens biológicas.Jean Marie Charcot, psiquiatra francês, juntamente com Pinel, foram responsáveispelas mudanças de atitude com relação à doença mental. Charcot é conhecido pelo estudodos fenômenos histéricos, vistos não mais como falhas de caráter de mulheres queapresentavam essa neurose, mas como fruto de fenômenos biológicos subjacentes.O estudo da histeria influenciou o médico vienense Sigmund Freud, criador dapsicanálise, que também procurou dar um embasamento neurológico à teoria.O desenvolvimento de medicamentos e de cirurgias foram marcantes na história daneurociência, como a lobotomia pré-frontal, uma técnica cirúrgica utilizada por décadas,muitas vezes sem motivo, desenvolvida pelo médico português Egaz Moniz (prêmio Nobelda década de 40) para tratamento de pacientes psicóticos. Já na década de 50 investiu-sena terapia medicamentosa, a intervenção química como alternativa de tratamento seguro eefetivo das psicoses, fazendo com que o conhecimento gerado pelas pesquisas setraduzisse também em intervenções sociais.O Futuro da pesquisa do cérebro.Entender o que nos faz humanos recruta, há milênios, desde idéias místicas,passando pelo conhecimento filosófico, e modernamente contando também com asmetodologias científicas. O avanço dessas pesquisas alimenta a visão que a humanidadefaz sobre a sua própria vida mental.Ao propormos uma divisão didática das idéias no tempo, percebemos que é possívelagrupar a evolução do conceito sobre estrutura e funcionamento do sistema nervoso. Ahistória é sempre um recurso precioso para o estudo do movimento das idéias. Olhandoretroativamente, assistimos ao surgimento de uma determinada proposição, medimos seuimpacto imediato ou tardio, seu declínio, seu retorno em outro tempo sob condiçõesdiferentes ou sua rejeição definitiva pela falta de evidências. (Kristensen et al. 2001)
  • 95. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 87A mente é uma definição que tenta resgatar a essência do ser humano. A essênciade uma pessoa emerge da existência de funções mentais que nos permitem pensar eperceber, amar e odiar, aprender e lembrar, resolver problemas, comunicar, criar e destruircivilizações. Essas expressões são intrinsecamente relacionadas ao funcionamentocerebral. Além disso, sem o cérebro, a mente não pode existir; sem a manifestação docomportamento, a mente não pode ser expressa.A evolução humana é notável na medida em que foi marcada por vários pontos deviragem cultural. Exemplos disso foram as peculiares descobertas do fogo, do abrigo, dasferramentas, da linguagem, que exigia uma combinação de fatores genéticos e mudançasculturais. Com o surgimento da consciência, incluindo um sentido de si mesmo e umasensação de continuidade com o passado e futuro, o homem começou a olhar sobre seuspróprios ombros e a questionar acerca das suas próprias origens. Quem sou? De onde vim?Para onde vou?As revoluções científicas transformam nossa visão de mundo. Ironicamente, apesardo conhecimento detalhado de quase tudo no universo, em todas as escalas imagináveis (osistema solar, galáxias distantes, os buracos negros, os átomos, moléculas, a teoria dascordas, DNA, hereditariedade, os mecanismos da vida etc.), ainda não sabemos quase nadasobre o órgão que fez todas essas descobertas. O conhecimento das funções do cérebropermanece tão primitivo como o nosso conhecimento do resto do corpo humano um ou doisséculos atrás. Como podemos propor a consciência ambiental, a higiene do meio, oequilíbrio do ambiente; se não cultivamos a nossa própria vida interior"?Apesar do acúmulo de grandes quantidades de conhecimento sobre o cérebro (cercade 10.000 documentos são apresentados a cada ano na Sociedade para reuniões deNeurociência), mesmo as perguntas mais básicas sobre nossas mentes permanecem semresposta. O que é a vontade? Quem é o “eu”? Como explicar o sentimento de uma únicapessoa que perdura no tempo e no espaço? O que é a consciência? (Ramachandram,2003).Apesar de vislumbrarmos as correntes de pensamentos, percebemos que, ao longodo tempo, a integração entre as idéias pode ser árida. A ciência da mente depende daconversa integrada entre experimentos controlados e o esforço teórico, articuladoscriticamente. O entendimento atual sobre origem, funcionamento e capacidade do sistemanervoso é resultado do esforço de múltiplas áreas do conhecimento, denominadasgenericamente por neurociências.A neurociência cognitiva assume o conceito de modularidade do funcionamento dosistema nervoso, investigando funções como percepção, atenção, memória, emoção, açãoetc, por essa ser considerada uma estratégia de abordagem coerente, além de didática.“Não mais estamos restritos a inferir sobre as funções mentais simplesmente a partir da
  • 96. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 88 Julho/2010observação comportamental. Como resultado, a neurociência durante as próximas décadaspode desenvolver os instrumentos necessários para testar o mais profundo de todos osmistérios biológicos – as bases biológicas da mente e da consciência”. (Kandel, 2003).Portanto, ao elaborar as perguntas devidas, realizando os experimentos devidos,pode-se começar a responder a estas perguntas que, até agora, continuam a ser apreocupação dos filósofos. Ao entendermos a natureza humana baseada no entendimentode nós mesmos, não sobram limites a serem alcançados. Sabemos muito pouco sobre océrebro, por isso temos de manter uma mente aberta e estar preparados para surpresas.
  • 97. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 89Princípios básicos em fisiologia neuralRenata Pereira LimaLaboratório de Neurociência e Comportamentorenata.plim@gmail.comNo sistema nervoso, neurônios nunca funcionam isolados; eles estão organizadosem circuitos que processam tipos específicos de informações. O sistema nervoso pareceorganizado em grupos de circuitos, i.e., módulos, cujas funções servem a um propósitocomportamental específico. Desta maneira, sistemas sensoriais como a visão ou audiçãoadquirem e processam informações a partir do ambiente, o sistema motor permite que oorganismo responda a tais informações através da geração de ações. Há, entretanto, umgrande número de células e circuitos que estão entre estas mais ou menos bem definidasaferências e eferências. Eles são coletivamente referidos como sistemas de associação esão responsáveis pelas mais complexas funções.Além destas amplas distinções, os neurocientistas têm convencionalmente dividido osistema nervoso dos vertebrados, sob o ponto de vista anatômico, em componentes centraise periféricos (Fig. 1). O sistema nervoso central (SNC) compreende o encéfalo e a medulaespinal. O sistema nervoso periférico (SNP) inclui fibras de neurônios que conectam osreceptores sensoriais na superfície do corpo ao SNC e a porção motora, que consiste emaxônios de nervos motores que conectam o encéfalo e a medula espinal aos músculosesquelético, viscerais, cardíaco e glândulas.Embora o arranjo dos circuitos que compõemestes sistemas varie grandemente de acordo comsuas funções, algumas características são comunsentre eles. As conexões sinápticas que definem umcircuito são tipicamente realizadas numa densa malhade dendritos e terminais axonais. A direção do fluxode informação em um circuito particular é essencialpara se entender sua função. Células nervosas quetransmitem informações em direção ao sistemanervoso central são chamadas de neurôniosaferentes; já as que transmitem informações para fora do encéfalo e da medula espinal (ouFigura 1. Arranjo anatômico do sistema nervoso emhumanos. Em azul o sistema nervoso central (SNC)e em amarelo, o sistema nervoso periférico (SNP)(retirado de Bear, 1996).
  • 98. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 90 Julho/2010para fora do circuito em questão), são chamadas de neurônios eferentes. Células nervosasque participam somente no aspecto local do circuito são chamadas de interneurônios. Estastrês classes – neurônios aferentes, neurônios eferentes e os interneurônios – são osconstituintes básicos de todos os circuitos neurais.De modo geral, podemos classificar os circuitos como: Convergentes: aqueles nos quais um grupo de neurônios recebe uma aferência(entrada) de um neurônio pré-sináptico e o circuito tende a se tornar concentrado.Para demonstrar este tipo de circuito, imagine que tenhamos os neurônios A, B e C eque cada um deles possua uma entrada diferente. Estes neurônios se projetam paraum neurônio D e este se projeta para outro neurônio E, realizando uma eferência(saída). Circuitos convergentes são responsáveis, por exemplo, pela interpretaçãodos estímulos sensoriais (Fig. 2, à esquerda). Divergentes: são os circuitos que funcionam de maneira oposta aos circuitosconvergentes. Em vez de concentrar as aferências, estas se projetamseparadamente para diferentes neurônios. No caso do circuito divergente, o neurônioA possui uma aferência e se projeta para os neurônios B, C e D. A característicabásica de um circuito divergente é o fato de que um único neurônio iniciará respostasde maneira crescente em outros neurônios. Tais circuitos são encontrados nossistema motores e sensoriais (Fig. 2, centro). Reverberantes: o sinal de aferência é transmitido ao longo de uma série deneurônios e cada um destes fará sinapses com neurônios de uma porção da viapreviamente percorrida. O impulso reverbera sendo enviado ao longo do circuitocontinuamente até que um neurônio seja inibido. Então, uma aferência no neurônio Ase projeta para o neurônio B, que se projeta para o neurônio C e então para o D eeste se projeta de volta para o neurônio A (ou para o B) e o ciclo se repete até queum neurônio (que pode ser tanto A, quanto B, C ou D) seja inibido. Circuitosreverberantes estão envolvidos no ciclo de sono-vigília, atividades motoras,memórias de longa duração, etc (Fig. 2, à direita).Figura 2. Esquema representativo dos modelos de circuitos. À esquerda, o modelo de circuitosconvergentes, no centro o modelo divergente e o reverberante à direita.Além disto, circuitos podem funcionar paralela ou serialmente. No funcionamentoparalelo, sinais aferentes são processados em vias distintas e as informações são
  • 99. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 91analisadas de maneira analítica concomitantemente no tempo. Por exemplo, o sistemavisual funciona em vias paralelas que processam a informação neural de forma simultânea eintegrada. Sinais representando cores, movimento, forma e localização, por exemplo, sãoprocessados simultaneamente em diferentes regiões do encéfalo. Atividades concomitantes(e sincronizadas) nas vias visuais dorsal e ventral (que são anatomicamente distintas) sãoresponsáveis pela percepção unitária da imagem. No funcionamento serial, os resultadosdos processamentos de um circuito são necessários para que o próximo circuito possacontribuir para o processamento total. Isto é, um neurônio estimula outro neurônio, que porsua vez estimula outro neurônio e assim por diante. Um exemplo clássico de processamentoserial é o arco reflexo, em que há produz uma reação involuntária rápida, na maioria dasvezes inconsciente, que protege o organismo. Tal reação é originada a partir de um estímuloexterno que gera uma resposta antes mesmo do indivíduo tomar conhecimento daexistência do estímulo periférico e, conseqüentemente, antes deste poder comandá-lavoluntariamente. Muitos reflexos motores são controlados por neurônios localizados nasubstância cinzenta da medula espinhal e do tronco encefálico (bulbo, ponte emesencéfalo), independentemente da vontade, como por exemplo:• a retirada imediata da mão de uma panela muito quente;• extensão da perna após a percussão e estiramento do tendão patelar;• fechamento da pupila com o aumento da intensidade luminosa;• aumento da secreção gástrica com a chegada do alimento no estômago.Desta maneira, o ato reflexo é um mecanismo que gera uma reposta involuntária doorganismo a um determinado estímulo (dor, estiramento, aumento da intensidade luminosa,variações da pressão arterial etc). Ocorrendo um estímulo, a fibra sensitiva de um nervoaferente (ou sensitivo) transmite-o até a medula espinhal passando pela raiz posterior, ou aotronco encefálico, por meio de um nervo craniano. Na medula ou no tronco encefálico oneurônio aferente comunica-se com o eferente diretamente ou por meio de interneurôniosassociativos, gerando, no neurônio motor, a atividade que leva à ação. Os axônios eferentesque levam essa ordem da medula (pela raiz anterior) ou do tronco encefálico (por um nervocraniano) constituem as fibras eferentes motoras ou vegetativas que levam a informação aoórgão efetor (músculo estriado esquelético, glândula, músculo liso ou músculo cardíaco)que, por sua vez, executará a resposta ao estímulo inicial.É importante ressaltar que o processamento serial é a maneira mais simples pormeio da qual um circuito pode funcionar. Este tipo de processamento está envolvido nasrespostas mais simples e estereotipadas. Durante o processamento de funções maiscomplexas, de modo geral, os circuitos envolvidos, além de processar informações de modoserial, funcionam concomitantemente em paralelo com outros circuitos de maneirasincronizada.
  • 100. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 92 Julho/2010Construção de Circuitos e sua Modificação pela ExperiênciaA construção da circuitaria do sistema nervoso envolve processos ontogenéticosassociados à interação do sistema com o ambiente. Assim, fatores químicos liberados pordeterminados neurônios em diferentes estágios do desenvolvimento ontogenético atraemprojeções de outros neurônios intrinsecamente; paralelamente, essas projeções e conexõesentre neurônios podem originar-se também em associação com a estimulaçãoproporcionada pelo ambiente e/ou pela atividade de certos conjuntos de neurônios. Assim,os padrões macroscópicos básicos das conexões no sistema nervoso estabelecidasfilogeneticamente podem ser microscopicamente alterados por padrões de atividadeneuronal (isto é, experiência), modificando a circuitaria sináptica do encéfalo. A atividadeneuronal gerada em decorrência de interações com o ambiente pré e pós-natal influencia aestrutura e a função do sistema nervoso, além da construção de sua circuitaria.A história de interação de um indivíduo com o ambiente, i.e., sua experiênciaacumulada, molda os circuitos neurais, determinando seu comportamento. Em algunscasos, as experiências funcionam primariamente como gatilhos que ativam algunscomportamentos inatos. Mais freqüentemente, entretanto, experiências desenvolvidas emperíodos específicos no início da vida (referidos como períodos críticos) determinam umrepertório comportamental no indivíduo adulto. Estes períodos críticos influenciamcomportamentos diversos incluindo laços maternais, preferências sexuais e aquisição delinguagem, entre outros.Embora seja possível identificar conseqüências comportamentais de determinadosestímulos que foram apresentados em períodos críticos para determinadas funções, suasbases biológicas ainda não estão completamente esclarecidas. Talvez o exemplo mais beminvestigado relacione-se ao período crítico no estabelecimento da visão. Alguns estudosmostraram que a experiência é traduzida em padrões distintos de atividade neuronal queinfluenciam a função e a conectividade dos neurônios relevantes. No sistema visual (e emoutros sistemas também) a competição entre aferências com diferentes padrões deatividade é um determinante importante na consolidação dos padrões de conectividade. Emum axônio aferente, padrões de atividade correlatos tendem a estabilizar as conexões.Quando padrões normais de atividade são rompidos (experimentalmente, em animais, oupatologicamente, em humanos) durante um período critico na infância, a conectividade nocórtex visual é alterada, assim como a função visual. Se não é feita a manutenção destespadrões até o final do período critico, estas alterações estruturais da circuitaria nervosadificilmente se restabelecem posteriormente.A conectividade nervosa estabelecida ao longo do desenvolvimento normalpossibilita ao encéfalo armazenar vasta quantidade de informações que refletem aexperiência específica daquele individuo. Como esperado, a construção dessa
  • 101. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 93conectividade que tanto influencia o desenvolvimento do sistema nervoso gera alteraçõesmaiores nos estágios iniciais de desenvolvimento. Assim, em um animal adulto, o sistemanervoso se torna gradativamente mais refratário a lições da experiência e os mecanismoscelulares que medeiam as alterações da conectividade neuronal se tornam menos plásticos.Integração entre Circuitos I: o Modelo de RedesO conceito de que no córtex cerebral há domínios discretos dedicados mais oumenos exclusivamente a algumas funções cognitivas, tais como discriminação visual,linguagem, atenção espacial, reconhecimento de face, retenção de memória, memóriaoperacional, etc., tem sido questionado devido à falta de evidências conclusivas que oapóiem. Em seu lugar, modelos de redes neurais têm sido apresentados como umaalternativa mais coerente com as evidências disponíveis sobre seu funcionamento.Em 1949, Donald Hebb hipotetizou uma forma de plasticidade sinápticaproporcionada por uma continuidade temporal das atividades pré e pós-sinápticas. Além deacreditar que as conexões sinápticas eram as bases das associações mentais, ele foi alémdo simples conexionismo dos behavioristas. Primeiro, ele argumentou que uma associaçãonão poderia ser localizada numa simples sinapse. Ao contrário, os neurônios estariamagrupados em “assembléias de células” e esta associação era distribuída nas suasconexões sinápticas. Segundo, Hebb rejeitou a noção de que a relação estímulo-repostapoderia ser explicada somente por um simples arco reflexo conectando neurônios sensoriaisa neurônios motores. Assim, era necessário postular “um mecanismo central que explicasseo atraso existente entre o estímulo e a resposta que é tão característico do pensamento”(Hebb, 1949). Seguindo as idéias do neurofisiologista Lorente de Nó, Hebb acreditava que aestimulação sensorial poderia iniciar padrões de atividade neural que eram mantidascentralmente pela circulação em loops de feedbacks sinápticos. Tal “atividade reverberante”torna estes padrões possíveis para as respostas que são subseqüentes aos estímulosposteriores ao atraso. Em resumo, Hebb hipotetizou um “mecanismo com fundamentosduplos” da memória. A atividade neural reverberante era o fundamento da memória de curtaduração, enquanto as conexões sinápticas eram o fundamento da memória de longaduração. Desta maneira, Hebb propôs que: “A persistência ou repetição de uma atividadereverberante tende a induzir mudanças celulares permanentes que promovem estabilidadeno sistema” (Hebb, 1949, pág. XVII).Esta proposição pode ser precisamente colocada da seguinte forma: quando umaxônio da célula A repetidamente ou persistentemente dispara, alguns processos decrescimento ou mudanças metabólicas acontecem em uma ou em ambas as células (A ouB) de tal modo que a eficiência de A, uma das células que estão agindo sob B, éaumentada.
  • 102. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 94 Julho/2010Além disto, Hebb hipotetiza uma função específica para esta “sinapse hebbiana”: aconversão da memória de curta duração em memória de longa duração pela estabilizaçãode padrões de atividade reverberante. Uma vez que este padrão de atividade foiarmazenado nas conexões sinápticas, ele pode ser resgatado repetidamente a partir daexcitação de neurônios sensoriais ou a partir de outros padrões de atividade reverberante.A hipótese de Hebb foi verificada décadas depois com a descoberta da potenciaçãode longa duração, LTP (do inglês, long-term potentiation) (Fig. 3). A LTP é um estreitamentoda conexão entre dois neurônios que resulta de uma estimulação simultânea de ambos epode ser induzida experimentalmente aplicando-se uma seqüência de pequenos estímulosde alta freqüência na célula nervosa. Este estreitamento pode durar de minutos a horas (invitro) ou de horas a dias ou meses (in vivo).Figura 3. Modelo representativo do funcionamento da Potenciação de Longa-Duração (LTP). Osreceptores NMDA (vermelho) constituem a maquinaria molecular da aprendizagem. Oneurotransmissor é libertado durante atividade basal e durante a indução de LTP (topo, à esquerda).A expressão de LTP pode dever-se à presença de mais receptores AMPA (receptores em amarelo, àesquerda, abaixo) ou à presença de receptores AMPA mais eficientes (à direita, abaixo) (disponível
  • 103. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 95em www.braincampaign.org - 09/06/2009).Pela eficiência aumentada da transmissão sináptica, a LTP aumenta a habilidade dedois neurônios, um pré-sináptico e outro pós-sináptico, de comunicarem-se através dasinapse. O mecanismo preciso para este aumento da transmissão ainda não é bemestabelecido, em partes porque a LTP é controlada por múltiplos mecanismos que variam deacordo com a região em que acontecem, a idade do animal em questão e espécie.Entretanto, nas formas de LTP mais compreendidas, a melhora desta comunicação épredominantemente feita através do aumento da sensibilidade das células pós-sinápticasem receber sinais das células pré-sinápticas. Estes sinais, na forma de moléculas deneurotransmissores, são recebidos por receptores presentes na superfície da célula pós-sináptica. Este aumento de sensibilidade é devido não somente ao aumento da atividadedos receptores já existentes na superfície, mas também por um aumento do número destesreceptores.Interessantemente, a LTP compartilha muitas características com a memória delonga duração, o que faz dela uma candidata muito atrativa como um mecanismo celular doaprendizado. Por exemplo, a LTP e a memória de longa duração dependem da síntese denovas proteínas, possuem propriedades associativas e podem durar potencialmente váriosmeses. A LTP também pode responder por vários tipos de aprendizado, desde orelativamente simples condicionamento clássico presente em todos os animais, atérespostas mais complexas, como a cognição observada em humanos.De acordo com essa concepção, a alteração estrutural leva ao armazenamento dainformação podendo explicar o fenômeno da memória. Este modelo postula que todas asrepresentações cognitivas consistem em redes de neurônios cuja atividade foi associadapela experiência (estímulos repetidos). Nesse contexto, pode-se assumir que memóriasfilogenéticas correspondem a redes que se consolidaram ao longo das gerações e nãonecessitam de experiência individual para serem funcionais, embora possam seraprimoradas pela experiência individual.Se considerarmos que um neurônio tipicamente recebe informações de cerca de 104neurônios e, por sua vez, projeta-se para outros 104neurônios e, que o encéfalo humanocontém pelo menos 1011neurônios, isto significa dizer que pelo menos 1019conexõessinápticas são formadas no cérebro. Entretanto, a complexidade de seu funcionamento éevidentemente maior, em particular quando se considera os arranjos seqüenciais pelosquais uma informação pode viajar ao longo de seqüências de neurônios. Quanto maisfreqüentes as exposições a estímulos relevantes, mais fortes tornam-se essas conexões.Como conseqüência, a informação tende a ser arquivada de maneira relacional. Issopermite entender porque a recordação envolve, usualmente, categorias. Por exemplo, ao
  • 104. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 96 Julho/2010pedirmos para uma pessoa listar todos os animais de que se recorda, não raro a listaconterá animais agrupados por categorias de similaridade, ou seja, quadrúpedes, aves,animais aquáticos, invertebrados etc. O mesmo ocorre em relação a alimentos; arecordação também será categórica (frutas, verduras, legumes, carnes etc.). Isso ocorreporque o aumento de atividade eletrofisiológica em determinados circuitos neurais (quelevam à recordação de uma dada informação) tende a estimular a atividade em circuitosrelacionados. Assim, quando aprendemos que determinado estímulo se refere a umdeterminado conceito, estamos na verdade fazendo associações com conceitos que jáconhecemos (associando nós de uma rede com outros). Então, quando visualizamos aimagem de uma maçã caindo, integramos todas as informações disponíveis (cor, forma,contexto, movimento) com os circuitos já consolidados previamente e que em algummomento foram associados ao conceito “maçã”. O mesmo vale para uma outra modalidadede estímulo, ou seja, um som específico que atribuímos como característico de umdeterminado animal, o cheiro de uma comida que está intimamente ligado com o seu saboretc.Integração entre Circuitos II: Ação e PercepçãoTodas as formas de comportamento adaptativo requerem o processamento de umfluxo de informação sensorial e sua transdução em uma série de ações direcionadas a umobjetivo. Desde a mais primitiva espécie animal, todo o processo é regulado por feedbacksexternos (ambiente) e internos (Fig.4). Esse padrão de funcionamento torna o organismoapto a forragear, fugir de predadores, lutar e reproduzir-se.Figura 4. Uma das finalidades da percepção é permitir uma interação com o ambiente. Interaçõespodem incluir andar de um lugar para outro, pegar um objeto, conversar com uma pessoa ou dirigirum carro. De modo circular, tais ações afetam diretamente nossa percepção do mundo. Estainterdependência entre ação e percepção é ilustrada pelo “Ciclo Percepção-Ação” da figura acima. A
  • 105. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 97visão que temos na integração sensório-motora é que em vários aspectos do comportamento, açõesmotoras e processos sensoriais estão conectados inseparavelmente e, desta forma, precisam serestudados juntos.O sistema nervoso evoluiu, sobretudo nos mamíferos, de tal forma que uma grandecomplexidade estrutural e funcional foi alcançada não tanto pelas vias aferentes,responsáveis por canalizar as informações sensoriais, ou pelas vias eferentes, responsáveispor emitir as respostas motoras, mas por circuitos neurais que intermedeiam essas vias deentrada e saída. Os complexos circuitos neurais que se localizam entre as vias sensoriais emotoras são os principais responsáveis pela riqueza, flexibilidade e plasticidade decomportamentos observados. Isso se manifesta na enorme diversidade de estímulos quepodem ser reconhecidos pelos sistemas sensoriais, na multiplicidade de graus de liberdadecom que ações são organizadas pelos sistemas motores e, sobretudo, pela rica e plásticarelação que se estabelece entre esses dois conjuntos.A progressiva elaboração dos circuitos neurais pode ser entendida como umaconseqüência da seleção de ações mais vantajosas (organizadas por circuitos “pré-motores”) em resposta à identificação seletiva de estímulos específicos (realizada porcircuitos “perceptivos”), provavelmente pressionada por fatores ambientais. Podemos suporentão que, ao tornar-se cada vez mais complexo, o funcionamento dos circuitos neurais queorganizam a integração sensório-motora expressa aquilo que chamamos de “percepção”,“atenção”, “aprendizado”, “memória”, “ação” e, por fim, “consciência”. Esses rótulos estãolonge, em sua maioria, de uma definição completa e consensual. Eles são, maisprovavelmente, o resultado das limitações que ainda temos em compreender a essência dofuncionamento do sistema nervoso, não se constituindo em entidades separadas eindependentes da função neural.Desta forma, se considerarmos que a percepção do mundo, onde “perceber” algo,derivado do latim, significa “apoderar-se” dele, logo veremos que não há percepção sem quealguma forma de atenção esteja em jogo. E é só por meio da percepção atenta que temosde um estímulo que sentimos, de um evento que presenciamos ou de uma resposta queemitimos, que poderemos mais tarde nos lembrar desse objeto, desse evento ou dessaresposta, resgatando uma memória arquivada por meio de um processo de aprendizado. E,de forma um tanto óbvia, todo trabalho investido em se “apoderar” do mundo, “arquivá-lo” e“resgatá-lo”, seria inútil e sem sentido se não usássemos essa informação na organização eemissão de uma ação sobre o mundo, com ele interagindo de forma contínua e coerente,permitindo nossa permanência nesse mesmo mundo, apesar de seus constantes desafios.Percepção envolve Ação
  • 106. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 98 Julho/2010Perceber algo geralmente requer alguma ação por parte de quem esta percebendo.Freqüentemente temos que olhar (direcionar os olhos) para ver, fazendo uma varreduravisual do ambiente até que o objeto de desejo seja encontrado. Da mesma forma, para umsom ser audível, temos que direcionar nossos ouvidos em sua direção. Quando tocamos umobjeto, ele é mais facilmente identificado se for explorado pelos nossos dedos.Todos estes exemplos demonstram que a percepção é um processo ativo quefunciona para direcionar e otimizar o comportamento através do seu refinamento. Alémdisso, uma vez que um objeto tenha sido percebido, podemos decidir se iremos nosaproximar ou nos afastar. Ao ouvir um barulho podemos responder a ele ou ficar quieto. Aoidentificar um objeto pelo toque podemos descartá-lo ou mantê-lo conosco. Em cada umdestes casos nosso comportamento depende do que é percebido.A orientação da percepção por meio de uma ação induz uma distinção interessanteentre os vários sentidos que tem a ver com a proximidade do observador em relação aoobjeto percebido. Tocar e saborear algo requer um contato direto entre o observador e afonte de estimulação. Cheirar também é um certo contato com a fonte de estímulação;substâncias químicas voláteis são diluídas conforme a distância da fonte aumenta; destaforma, o cheirar funciona mais eficientemente para substâncias que estão próximas. Emcontraste, ver e ouvir,não dependem tanto deste contato. Os olhos e os ouvidos podemcapturar a informação originária de fontes remotas, neste sentido eles funcionam como umradar. Eles permitem que o indivíduo faça contato perceptual com um objeto que não estápróximo, eles estendem a percepção para um mundo além dos limites dos dedos e do nariz.Estes dois sentidos substituem o deslocamento até a fonte de estímulo, permitindo que oindivíduo explore a vizinhança.Organização e Hierarquia no Ciclo Percepção-AçãoEm todo o sistema nervoso central, o processamento de seqüências de açõesguiadas sensorialmente segue um fluxo a partir de estruturas geralmente posteriores(sensórias), em direção a estruturas anteriores (motoras), com feedbacks em todos osníveis. Assim, no nível cortical, a informação flui de maneira circular ao longo de uma sériede áreas hierarquicamente organizadas e entre conexões que constituem o ciclo percepção-ação (Fig. 5).Ações automáticas e/ou muito freqüentes em resposta a estímulos sensoriais sãointegradas em níveis mais inferiores do ciclo, nas áreas sensoriais da hierarquia (perceptiva)e em áreas motoras da hierarquia (executiva). Comportamentos mais complexos, guiadospor estímulos também mais complexos e distantes no tempo, requerem uma integração emníveis corticais mais superiores de ambas as hierarquias (perceptuais e executivas),basicamente áreas superiores de associação sensorial e córtex frontal anterior.
  • 107. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 99Figura 5. O substrato cortical do ciclo percepção-ação. Em azul está representado o lado dapercepção no ciclo e em vermelho o lado da ação. Os retângulos vazios representam áreasintermediárias ou subáreas do córtex. As setas representam vias anatomicamente identificadas emmacacos e ressaltam a conectividade recíproca entre os córtices posterior e anterior (retirado deFuster, 2006).Para garantir as interações entre as duas hierarquias corticais, longas fibras cortico-corticais conectam recíproca e topologicamente as áreas da hierarquia perceptual com asáreas equivalentes executivas. Assim, áreas pré-motoras se conectam com áreas sensoriaisassociativas relativamente inferiores (áreas inferiores de ambas as hierarquias), enquantoáreas frontais anteriores se conectam com áreas associativas superiores do córtex posterior(áreas superiores). Do mesmo modo, há evidências anatômicas de conexões ordenadasdescendentes do córtex frontal anterior ao córtex pré-motor e deste para o córtex motor. Emcada estágio deste processo em cascata na hierarquia executiva, a próxima ação de umaseqüência é determinada por dois tipos de influências: 1) o processamento dos aspectosglobais da seqüência nas áreas frontais superiores e 2) os sinais sensoriais que estãoocorrendo naquele momento. A ativação progressiva de áreas frontais inferiores queprocessam a ação é cumulativa. Da mesma forma, as entradas sensoriais associativas docórtex posterior são progressivamente mais concretas e mais dependentes de um contextoespacial e temporal imediato. Sinais que necessitam ser processados em um contextotemporal mais amplo (episódico) requerem ações que dependem de uma integraçãotemporal em graus mais elevados. Estes sinais são processados no córtex posterior econcomitantemente nas áreas superiores do córtex frontal anterior (rostral). Em ambos oscórtices, os sinais são integrados simultaneamente com as informações prévias (as regras
  • 108. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 100 Julho/2010de uma determinada tarefa e as instruções eventualmente dadas) antes mesmo de seremenviados para o processamento em estágios inferiores da hierarquia frontal. Sendo assim, ocórtex frontal anterior integra as mais elaboradas associações da informação sensorial queestão armazenadas em redes dos córtices sensoriais e motores.Se considerarmos que a execução de uma ação não se limita, em geral, a uma únicaoportunidade, temos uma grande vantagem ao construirmos representações perceptivas domundo e guardá-las na memória, podendo usar essa informação em uma próximaoportunidade em que ações semelhantes sejam requeridas. Esse aprendizado permite umrefinamento a longo prazo de nossas ações, fornecendo subsídios para ações maiscomplexas, mais integrativas e de maior alcance adaptativo.O Sistema de Neurônios EspelhoQuando temos que explicar uma ação humana, a neurociência tem duas abordagensmaiores: a sensório-motora e a ideomotora. Na abordagem sensório-motora, tudo começacom uma estimulação, e as ações são consideradas uma conseqüência desta estimulação.De modo inverso, na abordagem ideomotora, tudo começa com uma intenção, e as açõessão consideradas como o meio de realizar estas intenções, isto é, as ações são vistas comoo meio para determinados fins que seguem a intenção.Assim como vimos acima, existe uma sobreposição e uma dependência entre aspercepções e as ações, tanto nos seus sistemas quanto nas respostas comportamentais.Desde modo, fica difícil imaginar que nossas ações sejam meras escravas de nossaspercepções.Em uma situação em que uma pessoa observa as ações de outra pessoa, aabordagem ideomotora oferece uma predição muito consistente. Considerando o fato desermos seres sociais, nós humanos passamos boa parte do nosso tempo observando asoutras pessoas, tentando entender o que elas estão fazendo e por que. Esta “comunicaçãoprimitiva” é essencial para estratégias de sobrevivência e sociabilidade do indivíduo.Contudo, como reconhecemos e entendemos as intenções das outras pessoas? Quais asbases neurofisiológicas desta habilidade? A recente descoberta de neurônios espelho teminspirado uma série de estudos em busca destas respostas.O reconhecimento de uma ação foi inicialmente concebido como baseado apenas nosistema visual (abordagem sensório-motora); isto é, numa análise dos componentes visuaisda ação específica, do agente envolvido, do objeto ao qual a ação é direcionada e docontexto no qual ela está inserida. Assim, a interação de todos estes elementos identificadosvisualmente permitiria ao observador reconhecer e entender uma ação feita por outrapessoa. Uma hipótese alternativa admite que a observação de uma ação estimularia uma“representação motora interna” que envolveria as mesmas estruturas neurais envolvidas na
  • 109. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 101execução da ação observada; de acordo com esta concepção, embora nenhum movimentoefetivo seja executado, a representação motora evocada pela observação permitiria oreconhecimento do significado do que é visto. Com a descoberta de que há ativação deneurônios na região do córtex pré-motor durante a observação de ações, os assimdenominados “neurônios espelho”, e considerando que esta hipótese não exclui apossibilidade de que outro processo cognitivo, baseado na descrição do objeto e domovimento, possa participar desta função, esta hipótese motora vem ganhando cada vezmais adeptos. Todavia, tem sido proposto que os neurônios espelho formam um sistemaque combina observação e execução – percepção e ação.Neurônios espelho são um grupo particular de neurônios cuja atividade aumentadurante a execução de uma ação motora particular ou da observação da mesma açãodesempenhada por outro indivíduo. Sua descoberta ocorreu durante experimentos commacacos envolvendo o controle motor de ações desempenhadas com as mãos, como porexemplo, pegar/manipular um objeto ou alimento. Os descobridores destes neurônios, entreeles Giacomo Rizzolatti, implantaram eletrodos no córtex frontal inferior de macacos (áreaF5) e registraram a atividade dos neurônios individualmente enquanto os animaisalcançavam pedaços de alimentos. Eles observaram que alguns destes neurônios (situadosno setor superior da área F5), disparavam não somente quando o macaco pegava oalimento, como também quando ele observava outro indivíduo (macaco ou humano)desempenhando esta ação, como se a mesma tivesse sido “refletida” no seu córtex motor(Fig. 6). Estudos posteriores mostraram que pelo menos 10% dos neurônios envolvidos nocontrole motor de ações desempenhadas com as mãos são “neurônios espelho”.Estes estudos mostram que além do reconhecimento da ação motora por meio deinformações visuais, o sistema de neurônios espelho lida com informações mais abstratas, afim de reconhecer o objetivo final da ação. Esta resposta, baseada também em outrasmodalidades, isto é, auditiva, sugere que a atividade espelho depende da riqueza dasexperiências próprias do observador e de ações presentes em seu repertório motor(memória de planos motores). Entretanto, aparentemente, o reconhecimento do objetivofinal de uma ação baseado em exposição prévia do observador só parece possível sehouver dicas suficientes no ambiente acerca da intenção desse outro indivíduo. Isto é, umaação implica em um agente e um objetivo. Conseqüentemente, o reconhecimento de umaação implica no reconhecimento de um objetivo e, em outra perspectiva, o entendimento daintenção do agente: “João vê Maria pegando uma maça”. Vendo sua mão movimentando-seem direção à maça, ele reconhece o que Maria fará (pegará algo), e também reconhece queMaria quer pegar uma maça, isto é, o estímulo é ligado à intenção do agente.
  • 110. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 102 Julho/2010Desta maneira, o sistema de neurônios espelho oferece um modelo de integraçãoentre percepção e ação bastante interessante. Através do reconhecimento de ações e, nãoapenas pelo sistema sensorial, mas também no próprio sistema motor do observador, ocorreuma integração online das informações recebidas do ambiente - a ação observada sendoexecutada por outra pessoa - e também entre informações presentes no sistema nervoso doobservador - representação motora da ação observada.Figura 6. Experimento feito com macacos emque ele executa uma ação (pegar o amendoim)e também observa esta mesma ação sendofeita pelo experimentador. À direita está umesquema que exemplifica a atividade dosneurônios espelho nas duas situações (retiradode Rizzolatti,1996).
  • 111. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 103Fisiologia SensorialFelipe Viegas RodriguesLaboratório de Neurociência e Comportamentorodrigues.fv@gmail.comIntroduçãoO sistema nervoso de qualquer organismo pode ser modelado em sua forma maissimples como um sistema que possui entrada de dados (células receptoras), nenhum oualgum processamento do sinal (interneurônios) e um sistema de saída (células efetoras)(Fig. 1).Figura 1 – Modelo simplificado do arranjo de um Sistema Nervoso.O arranjo mais simples possível é chamado arcorreflexo, em que uma única célularecebe o estímulo em um ponto do organismo e diretamente atua como uma célula efetora.Esse arranjo já permite uma série de respostas comportamentais úteis à sobrevivência.Eventualmente, modificou-se para um arranjo com duas células: uma receptora e outraefetora, formando um arcorreflexo monossináptico (e.g. reflexo patelar). Ressalta-se que acomunicação entre as duas células já poderia representar uma forma de modulação do sinale, portanto, flexibilizar o comportamento (Eckert, 1983).Há ainda o arcorreflexo polissináptico, com pelo menos um interneurônio entre ascélulas receptora e efetora. A existência do interneurônio nessa interface deu origem aosgânglios – acúmulos de corpos celulares no organismo. Em última instância, nosso cérebroé um gânglio (ou um grande conjunto deles). O mais complexo que se tem conhecimento.A rede neural mais simples em organismos vivos é aquela encontrada nosCelenterados. O arranjo das células nervosas é difuso, com cruzamentos desordenados deaxônios, e sem preferência de direção do estímulo conduzido. Em alguns Celenterados háum início de organização em direção a arcos-reflexo monossinápticos, que é presente emtodos os outros organismos multicelulares (com tecido verdadeiro). Apesar disso, os arcos-reflexo polissinápticos são mais comuns.As células receptoras, de agora em diante chamadas receptores sensoriais, sãoresponsáveis por transduzir (isto é, transformar uma forma de energia em outra) o estímulo
  • 112. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 104 Julho/2010ambiental em um sinal elétrico que possa ser processado pelo encéfalo. Os receptorestendem a ser muito específicos e, em conjunto com o arranjo no qual estão dispostos em umórgão no animal, respondem preferencialmente a um tipo de estímulo.A luz parece ser a melhor forma de energia para se localizar e locomover no espaço– seu desenvolvimento se deu independentemente em diversos grupos animais. Ela temexcelentes propriedades direcionais e a maior velocidade de deslocamento conhecida,sendo muito fiel para retratar mudanças no ambiente; portanto, útil a presas e predadores.Por outro lado, animais com hábitos noturnos tiveram favorecimento de outrossistemas sensoriais, como, por exemplo, a ecolocalização de morcegos. Aqueles quedependem do sistema visual têm mecanismos de compensação das condições mínimas deluz. Gatos possuem um tecido refletivo na retina (chamado Tapetum lucidum), que faz comque a luz passe duas vezes por ela. Outros mamíferos, como os Tarsius, têm globosoculares extremamente grandes.É importante ressaltar que não há sistemas mais ou menos evoluídos, mas apenasaqueles mais adequados para um determinado ambiente. Nesse sentido, há animais quetem visão e audição pobres, sendo dependentes dos sentidos químicos para encontrarempresas (e.g.: cobras). Olfato e gustação parecem extremamente adaptativos para algumasfunções, pois persistem em diversos grupos.VisãoA faixa de luz visível pelos animais compreende-se do infravermelho até oultravioleta (Fig. 2).O fato de nos mais diversos organismos a faixa de energia eletromagnética captadaser tão restrita deve-se aos comprimentos de onda acima (comprimento de onda maior) dovermelho não carregarem energia suficiente para um efeito apreciável e aqueles abaixo dovioleta carregarem muita energia, a ponto de serem danosos para os tecidos (raiosultravioleta A e B são danosos à pele).Mecanismo de transduçãoMesmo alguns organismos unicelulares apresentam resposta à luz – uma simplesfototaxia (movimento em direção à luz). Mas mais do que gerar uma resposta intracelularFigura 2 – Faixa de luzvisível (em destaque)utilizada pelos receptoresdos organismos vivos.Comprimento de onda emnanômetros. Modificado deCarlson (2004).
  • 113. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 105pela estimulação luminosa, para que possamos enxergar, precisamos formar uma imagemrepresentativa do ambiente que nos rodeia. Isso só é possível nos organismosmulticelulares e na presença de olhos – órgãos especializados para captação de luz – osquais surgiram independentemente em diversos grupos animais.Apesar das diferenças no formato e no funcionamento, o mecanismo básico envolvea captação da luz e a estimulação de fotorreceptores específicos. A molécula fundamentalpara esse processo é uma combinação entre opsina (uma proteína) e um carotenóide. Todofotorreceptor possui essa combinação em suas membranas. A combinação maisencontrada, tanto em vertebrados como em invertebrados, é entre opsina e Retinal (umamolécula derivada da Vitamina A).Essas moléculas se encontram em abundância nas dobras de membrana do receptor(uma a cada 5 nm em alguns receptores) e mudam sua conformação com a estimulaçãoluminosa, provocando uma cascata bioquímica no interior da célula. Em última instância, háuma alteração da atividade eletrofisiológica do receptor, que é transmitida até o SistemaNervoso Central (SNC).Os invertebrados mais bem estudados com respeitoao sistema visual são os insetos. Eles possuem olhoscompostos por unidades individuais chamadas omatídeos,cada qual com um receptor sensorial. Este é formado porum dendrito central de uma célula chamada excêntrica,rodeado por 6 a 12 células retinulares, as quais enviamuma densa profusão de microvilos em direção ao dendritoda célula excêntrica, formando o rabdômero (Fig.3).A formação de imagem nesse tipo de olho se dápela composição das diversas partes do campo visualcaptadas pelos diversos omatídeos, formando ummosaico. A quantidade de pigmentos visuais é bastantevariável, com alguns crustáceos apresentando até oitodiferentes pigmentos em seu sistema visual (Cronin, 2006).Os vertebrados reúnem todos os receptores em ummesmo local (a retina, Fig. 4A), abrigados por uma câmara com entrada de luz controlada eintermediada por uma lente, um arranjo que permite a projeção de uma imagem invertidasobre a retina. A maioria dos grupos possui dois tipos de receptores: cones e bastonetes(Fig. 4B). Poucas generalizações podem ser feitas quanto ao envolvimento dessesreceptores na visão de cores e outras propriedades de uma imagem (e.g. brilho), dado queas variações entre os grupos são grandes. O comprimento de onda que será absorvido emcada receptor é também bastante variável. A maioria dos primatas possui na retina doisFigura 3 – Representação de umomatídeo do olho composto deinvertebrado. Modificado deEckert (1983).
  • 114. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 106 Julho/2010tipos de cones (cada um com um pigmento) mais bastonetes (Casagrande e col., 2006).Alguns têm três tipos de cones, incluindo os humanos, e todos os primatas têm os conesconcentrados na porção central da retina (fóvea), uma depressão formada pelo afastamentodas camadas celulares superiores (Fig. 4B).A fóvea é o ponto de maior acuidade visual, sendo processado por quase 50% docórtex visual primário (V1) (Fig. 5), ainda que responda por menos de 1% do campo visual.Essa discrepância de valores é resultado da extrema fidelidade com a qual as imagensdesse ponto do campo visual são tratadas. Conforme se afasta do centro da retina emdireção à periferia, menos cones e mais bastonetes são encontrados, com virtualmentenenhum cone nas regiões mais periféricas, o inverso do centro da fóvea.Os bastonetes são mais sensíveis à luz do que os cones (podendo responder aapenas um fóton – o equivalente à luz de uma vela a 1 km de distância). Eles sãoextremamente importantes para a detecção de bordas e movimento. Semelhantemente, épela maior acuidade visual dessas células que tendemos a enxergar imagens acinzentadas(ou simplesmente sem cor) em condições de pouca luz, como em um quarto escuro. Apercepção de cores através dos cones se dá pela interação da estimulação dos três tipos depigmento a todo instante, constituindo todas as tonalidades de cores que enxergamos.Neurônios com axônios longos, as células ganglionares (Fig. 4B), formam o nervoóptico que transmite a alteração da atividade eletrofisiológica resultante da estimulação dosfotorreceptores em direção ao V1 (Fig. 5).Esse caminho, porém, não é direto. Há um cruzamento de parte das fibras que sedirigem ao SNC (Fig. 6). As células ganglionares do hemicampo temporal em ambos oslados não se cruzam e seguem ipsilateralmente. As fibras do hemicampo nasal se cruzamno quiasma óptico e seguem para o lado contralateral. Dessa forma, toda a estimulação dolado direito irá para o córtex esquerdo e vice-versa.Figura 4 – (A) Olho em câmara de vertebrados.(B) Detalhe da fóvea no centro da retina,evidenciando algumas camadas celulares daretina. Modificado de Lent (2006).
  • 115. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 107Figura 5 - Córtex visual primário (V1), em vermelho, no córtex occipital do homem, do gato e do rato.Encéfalos fora de escala. Modificado de Bear e col. (1996).Note que há uma extensa área de sobreposição dos campos esquerdo e direito (Fig.6). É ela quem permite a visão binocular, responsável pela visão em profundidade e criadapela proximidade entre os dois globos oculares (voltados, portanto, para um mesmo lado dacabeça), algo constante em animais carnívoros. Herbívoros, por outro lado, tem os olhos emlados opostos da cabeça, o que reduz sensivelmente a visão binocular, mas potencializa avisão em todas as direções, permitindo que esses animais percebam a aproximação depredadores independentemente do local para o qual eles estejam direcionados.Após o cruzamento no quiasma óptico, todas as fibras passarão pelo Tálamo, maisespecificamente pelo Núcleo Geniculado Lateral (NGL). Esse núcleo tem seis regiõescitoarquitetônicas muito bem definidas nos primatas. As duas camadas mais inferiorespossuem neurônios com corpos celulares grandes e trazem as informações vindas dosbastonetes: é a camada magnocelular. As outras quatro camadas, chamadasparvocelulares, têm neurônios com corpo celulares pequenos e trazem informações vindasdos cones com pigmentos sensíveis à luz vermelha e verde. Entremeado nessas camadas,há células chamadas koniocelulares que trazem informações dos cones sensíveis ao azul.Após o estímulo passar pelo NGL, ele se dirige à V1, no córtex occipital, que tem ummapa retinotópico, isto é, tem uma região cortical para cada região na retina atendida poruma célula ganglionar. Lembrando que a região compreendida pela fóvea corresponde aFigura 6 – Cruzamento das fibras donervo óptico e hemicamposcontemplados em cada hemisfériocerebral. Modificado de Bear e col.(1996).
  • 116. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 108 Julho/2010quase 50% de V1, fica claro que a fidelidade entre célula ganglionar e receptor sensorialdeve ser altíssima na fóvea (ou pelo menos na fóvea central – algo como 1:1) e que essenúmero deve ser bem reduzido nas regiões periféricas da retina, com cada vez mais célulasreceptoras para cada célula ganglionar. Esse fato introduz o conceito de Campo Receptivo:a área da retina para qual uma célula ganglionar responde é maior quanto mais nosafastamos do centro da retina.AudiçãoA cóclea é uma estrutura tubular enrolada sobre si mesmo com três câmarasinternas chamadas escalas, preenchidas por líquidos de composições específicas (Fig. 7)(Carlson, 2005).O sistema auditivo humano está limitado a perceber freqüências entre 20 Hz e20.000 Hz, devido a características implícitas à cóclea, mais especificamente, à membranabasilar dentro dela (Fig. 8), que não vibra com sons fora dessa faixa de frequências.Diferentemente da visão, o intervalo de frequências captado por outros animais não ésemelhante. Infra-sons (freqüências abaixo de 20 Hz) são utilizados por tigres e elefantescomo forma de comunicação, podendo ser feita a quilômetros de distância. No outroextremo, morcegos têm faixa de audição começando em 10.000 Hz e indo até cerca de120.000 Hz. Os superagudos, freqüências acima de 10.000 Hz, têm comportamentoextremamente direcional e reflexivo, características que se tornam ainda mais exacerbadasnos ultra-sons, freqüências acima de 20.000 Hz. Emitindo sons acima de 50.000 Hz, osmorcegos podem perfeitamente voar no escuro total, conseguindo desviar dos obstáculospresentes em seu caminho. Eles utilizam-se do que chamamos de sonar: um mecanismo deecolocalização baseado na percepção da posição de objetos no espaço pela geração de umsom e recaptura do mesmo após reflexão.Mecanismo de transduçãoA energia sonora no ambiente chega até ao tímpano pelo canal auditivo, parte daFigura 7 - Representação do sistemaauditivo humano. Modificado de Bear e col.(1996).
  • 117. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 109orelha externa (Fig. 7). Essa energia, com todas as suas características de frequência eintensidade, é transmitida pelo tímpano aos ossículos da orelha média (martelo, bigorna eestribo), que farão a transmissão para a janela oval na cóclea, integrantes da orelha interna.A interação existente entre os três ossículos causa uma amplificação de até 1,6x na energiasonora que recebemos e a diferença de área entre o tímpano e a janela oval outra de 20x,resultando em um ganho em amplitude de 32x aproximadamente.A vibração transmitida à janela oval é então transferida para os líquidos internos dacóclea e para a membrana basilar. Como a cóclea é um tubo inextensível, a JanelaRedonda funciona como uma válvula de escape, permitindo a movimentação dos líquidosinternos e vibração nas membranas.Diferentes regiões da membrana basilar são mais sensíveis a freqüências distintas.Sons agudos – altas freqüências – são melhores percebidos no início dela. Sons médios, nomeio, e sons graves – baixas freqüências – no final da cóclea. Tais constatações nãosignificam que um som fará com que só aquela região vibre. Pelo contrário, todo somcausará vibração por toda a membrana basilar, mas ela será muito pequena fora do pontode ressonância, não alterando a atividade eletrofisiológica em outros pontos da membrana.O órgão de Corti é o responsável pela transdução da energia sonora em impulsosnervosos. Nele se encontram os receptores sensoriais (mecanorreceptores) que iniciam adespolarização que será conduzida ao córtex cerebral, inicialmente pelo nervo coclear (Fig.8).A membrana tectorial no órgão de Corti é uma estrutura rígida e fixa. A vibração damembrana basilar acaba causando o deslocamento de todo esse órgão; os cílios dosmecanorreceptores, no entanto, não se deslocam por estarem imersos e fixos na membranatectorial, movimentando-se em relação à célula e causando abertura ou fechamento decanais pelo estiramento da membrana celular e influxo de potássio e cálcio. Isso resultaráem despolarização ou hiperpolarização dos receptores e a mensagem transmitida pelosneurônios bipolares que integram o nervo coclear será maior ou menor freqüência dedisparos.Figura 8 – Representação esquemática do órgão de Corti. Modificado de Bear e col. (1996).
  • 118. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 110 Julho/2010As fibras nervosas que saem da cóclea fazemalgumas sinapses no trajeto até o Córtex AuditivoPrimário (A1), a mais importante delas no NúcleoGeniculado Medial (NGM) onde todas fazem sinapse(Fig. 9).Todas as fibras que saem do NGM chegam atéA1, formando um mapa tonotópico da membranabasilar da cóclea com frequências graves maisanteriores e as agudas mais posteriores. Esse arranjopermite o que é chamado “Princípio de Localização”:uma determinada população de neurônios de A1 comsua atividade alterada indica fielmente umadeterminada frequência de vibração na membranabasilar (Lent, 2006).Sistema VestibularAssociado às estruturas que permitem aaudição, todos os vertebrados contam também com osistema vestibular, com o qual podem perceberfenômenos de aceleração e postura corporal.Raramente mencionado, esse sistema deve serconsiderado um sexto sentido dos organismos, tendoíntima relação com o sistema motor, permitindo correções posturais reflexas a estimulaçõesbruscas e estabilização do olho durante a movimentação corporal (Graf, 2006).O sistema é composto na maioria dos vertebrados por três canais semicircularespara percepção de acelerações angulares (rotações) e os otólitos (sáculo e utrículo), paraacelerações lineares (Graf, 2006) (Fig. 10). A presença de três canais semicirculares surgenos gnastomados, pela adição do canal horizontal, ausente nos agnatas.Figura 10 – Órgãos do equilíbrio no ouvido humano. Modificado de Bear e col. (1996).Figura 9 – Trajeto percorrido pelosimpulsos nervosos provenientes dacóclea até o córtex auditivo primáriono cérebro. Modificado de Lent (2006).
  • 119. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 111Os canais são completamente preenchidos por líquido e contém uma dilatação(ampola) com células ciliadas (mecanorreceptores) associadas a uma estrutura gelatinosa(cúpula). Os movimentos de rotação do organismo causam o deslocamento do líquido emrelação ao canal, resultando em movimentação da cúpula e despolarização ouhiperpolarização das células ciliadas, como na cóclea.A maioria das projeções do nervo vestibular vai para um núcleo homônimo namedula; outras seguem diretamente para o cerebelo. Interessantemente, algumas projeçõesvão para os núcleos dos nervos cranianos que controlam o movimento ocular (nervoscranianos III, IV e VI). Essas projeções permitem o reflexo vestíbulo-ocular que corrige omovimento dos olhos enquanto andamos ou simplesmente movimentamos a cabeça,permitindo a formação de imagens estáveis na retina. Pessoas com lesão no nervovestibular têm sérias dificuldades em enxergar enquanto se deslocam (Carlson, 2005).SomestesiaO sistema somatossensorial permite perceber estímulos na pele através de umadiversidade de receptores sensoriais especializados: modificações nas terminações deneurônios unipolares que alteram sua atividade eletrofisiológica pela pressão, temperaturaou dor. Esses neurônios fazem conexões diretas com neurônios motores para permitirreflexos e evitar eventuais danos à pele (em última instância, ao organismo) – umarcorreflexo monossináptico como o reflexo patelar.As vibrissas de ratos e camundongos são também um órgão tátil, utilizado para selocalizarem no ambiente e mais importantes do que os olhos, já que estes têm hábitosnoturnos. Os estímulos somestésicos também são levados ao córtex cerebral via tálamo,formando um mapa somatotópico do organismo. Assim como na visão, algumas regiões sãomais privilegiadas do que outras, como a ponta dos dedos, lábios e língua tendo os menorescampos receptivos do sistema (e, portanto, as maiores áreas de processamento). O córtexsomatossensorial faz parte do lobo parietal do cérebro humano, no giro pós-central (Fig. 5).Sentidos químicosOlfaçãoAs conexões neurais da via olfativa até o córtex sugerem que esse é um dossistemas sensoriais mais antigos dos animais. É o único sistema que faz conexões diretascom o córtex cerebral (córtex olfatório), embora outras conexões neurais conduzam osestímulos recebidos também ao tálamo, além de conexões com o lobo frontal do neocórtexe o sistema límbico. São as conexões com o lobo frontal que provavelmente nos permitemter consciência dos cheiros ao nosso redor e as conexões com o sistema límbico, oscomportamentos ligados à homeostase e às emoções (Lent, 2006).O sistema olfativo é um bom exemplo de como o sistema sensorial mais importante a
  • 120. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 112 Julho/2010uma espécie dependerá das pressões seletivas. Cachorros não são capazes de enxergarem cores como nós enxergamos; por outro lado, são detentores de um olfato apuradíssimo,frequentemente sendo vistos farejando o chão atrás de algo que lhes interessa. Treinados,são hoje largamente utilizados para encontrar drogas em bagagens e pessoas soterradasem terremotos, sendo melhores que os humanos fazendo tais buscas visualmente.Tubarões também são fantásticos na detecção de odores, podendo perceber uma gota desangue em dezenas de litros de água. O caso mais surpreendente, porém, é o dasmariposas: os machos de algumas espécies são capazes de detectar concentrações deapenas uma molécula do feromônio de atração sexual da fêmea para até 1017moléculas dear. Isso se traduz em conseguir perceber uma fêmea a milhas de distância.Feromônios são moléculas intraespecíficas que servem à comunicação entregêneros – resultando, em última instância, no acasalamento – e também à demarcação deterritório entre indivíduos. Fatos como a coincidência do ciclo menstrual entre mulheres quemoram juntas (Weller e Weller, 1995), o reconhecimento do próprio odor em relação ao deoutros indivíduos (Porter e col., 1986 apud Martins e col., 2005) e a preferência por odoresdo sexo oposto (Martins, 2005) trazem indícios fortes de que esse mecanismo tambémexista em humanos. Alguns desses exemplos nos mostram que nem sempre precisamosestar conscientes de um estímulo para responder ao mesmo.GustaçãoA gustação está presente na maioria dos vertebrados e depende de receptoresespecíficos na língua, que detectam cinco qualidades: amargor, acidez, doçura, salinidade eumami. Há claras razões adaptativas para a seleção de tais receptores. Curiosamente,felinos não possuem receptores para doçura (Carlson, 2005).Os animais tendem a ingerir rapidamente tudo o que é doce ou salgado; doçuraindica presença de açúcares, claramente um alimento. Já receptores para sal, indicam apresença de cloreto de sódio, extremamente importante para o equilíbrio eletroquímico doorganismo. Por outro lado, substâncias amargas ou azedas serão evitadas. Acidez é umindicativo de decomposição, resultado da ação bacteriana. Já o amargor é um excelenteindicativo da presença de alcalóides potencialmente venenosos produzidos por plantas.Umami é um sabor relacionado à presença de glutamato monossódico, substâncianaturalmente presente em carnes, queijos e alguns vegetais. Um sexto tipo de receptorpoderia também detectar a presença de ácidos-graxos nos alimentos; de fato, trabalhosrecentes indicam respostas celulares causadas pela presença de ácidos-graxos específicos(Gilbertson e col., 1997 apud Carlson, 2005).As vias neurais da gustação se dão através do núcleo posteromedial ventral dotálamo para a base do córtex frontal e para o córtex insular. Outras projeções se dão para a
  • 121. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 113amígdala e hipotálamo. Sugere-se que a via hipotalâmica sirva para mediar efeitosreforçadores de sabores doces e salgados.Outros sentidosO repertório de estimulações físicas que servem à orientação não se limita àquelasque podemos perceber. Insetos conseguem se guiar pelo Sol mesmo quando há nuvens nocéu impedindo luz direta. Isso é possível pelo arranjo dos microvilos no rabdômero doomatídeo (Fig. 3), formando um ângulo de 90° uns com os outros. A estimulação pela luz éaté seis vezes maior nos microvilos que estão paralelos à orientação do vetor de polarizaçãoda luz.Alguns peixes têm células eletrorreceptoras que são modificações de células ciliadasda linha lateral. Essas células podem captar correntes elétricas produzidas por tecidosativos de outros peixes próximos (e.g., coração) mesmo que eles estejam enterrados sob aareia do fundo do lago ou oceano, um mecanismo frequentemente utilizado porelasmobrânquios. Outros peixes são capazes de produzir uma corrente elétrica fraca,através de uma série de despolarizações sincronizadas das células de seu órgão elétrico. Acorrente gerada flui da parte posterior para a anterior do peixe e qualquer material próximoque tenha uma condutividade diferente daquela da água causará uma alteração no campoelétrico, sendo detectado.A própria linha lateral de peixes e anfíbios é um órgão sensorial. Ela está ausentenos grupos superiores de vertebrados e é extremamente adaptativa ao ambiente em queesses organismos vivem. Por outro lado, o mecanismo receptor presente ao longo da linhalateral é uma célula ciliada como aquela descrita para os órgãos de audição e equilíbrio,sendo homólogo entre todos os grupos (Graf, 2006). Mais do que isso, as interrelações comoutros mecanorreceptores podem ser traçadas até o nemátoda Caenorhabiditis elegans,passando pelas drosófilas e apontando para um desenvolvimento evolutivamente precocedesses receptores (Graf, 2006).Termorreceptores são extremamente importantes tanto em mamíferos, que precisammanter sua temperatura regulada, quanto em outros animais que dependem desse tipo dereceptor para capturar presas. Cobras dos gêneros Crotalus e Sistrurus têmtermorreceptores com altíssima sensibilidade, sendo capazes de detectar aumentos detemperatura tão pequenos quanto 0,002 °C, isto é, detectar um camundongo distante 40 cmse ele estiver 10°C acima da temperatura ambiente.O campo magnético terrestre também parece ser um estímulo utilizado por algunsanimais para orientação e deslocamentos de longa distância; entre eles: aves migratórias,pombos-correio (uma variação do pombo-comum) e as tartarugas-marinhas. Há críticas àexistência da magnetorrecepção, mas os experimentos que a refutam parecem apenas
  • 122. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 114 Julho/2010falhar em detectá-la e não invalidam a existência do mecanismo. Além disso, de fato, taisanimais possuem partículas de magnetita inervadas na região do osso etmóide (crânio)(Freake e col., 2006). Eckert (1983) relata evidências de que ele possa existir emsalamandras, enguias e até mesmo bactérias.ConclusõesOs mecanismos sensoriais empregados pelos organismos são os mais diversospossíveis e produto das pressões seletivas que um ambiente pode gerar. Não há melhoresórgãos e sistemas, mas apenas aqueles mais bem adaptados. A comparação entre gruposrevela que algumas soluções são muito semelhantes, ainda que elas sejam análogas entreespécies. Estímulos como a luz, disponível na superfície terrestre globalmente, tornarampossível o desenvolvimento independente de órgãos receptores nos mais diversos grupos.É provável que outras formas de percepção de estímulos existam. A forma comopercebemos o mundo também não é, necessariamente, a forma como outros animais comórgãos análogos ou mesmo homólogos o percebem, dado que a área cortical dedicada a umdeterminado sistema pode variar imensamente (Catania, 2006). Em última instância,qualquer observação comportamental merece uma postura cautelosa na busca de quaisestímulos estão moldando um determinado comportamento.
  • 123. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 115Neurofisiologia da visãoAntônio Carlos da SilvaLaboratório de Ecofisiologia Evolutivaacdsilva@gmail.comIntroduçãoDesde a formação da Terra há bilhões de anos atrás a luz, provavelmente, temexercido uma potente força de seleção sobre os organismos vivos. Os milhares deamanheceres e pores-do-sol desde o início da vida têm levado a evolução dos olhos queusam a luz para visão e outros fins, incluindo a navegação e noção de tempo. Um pássaroem uma manhã de primavera ouvindo o canto de outros machos competidores em busca deuma fêmea para acasalar, um lagarto do deserto buscando abrigo do sol escaldante, ouuma águia em seu vôo em busca de uma presa - em todos os exemplos, estes animaisprecisam de uma acurada informação sobre o que ocorre ao seu redor para decidirem o quefazer em seguida. A sua decisão poderá ser apropriada somente se a informação oferecidapelo meio ambiente for corretamente codificada e transformada em sinais que possam serprocessados pelo sistema nervoso central.Origens evolutivosNo caso da “visão”, embora os olhos apresentem uma variedade de formas,tamanhos, desenhos ópticos e localização corporal, todos eles fornecem informaçõessimilares a respeito de ondas e intensidade de suas fontes. Logicamente, os olhos podemter uma origem monofilética, ou seja, de um único ancestral comum, ou podem ter umaorigem polifilética, surgido mais de uma vez durante a evolução.Estudos filogenéticos relevaram que olhos evoluíram independentemente emdiferentes grupos sistemáticos, o que nos leva a tentar compreender quais as soluçõesencontradas por cada grupo de animais durante o processo de evolução no qual resultaessa enorme diversidade ( Halder, 1995; Salviani-Plawen e Mayr, 1977).Estas estruturas (ex. ocelos, olhos compostos, olhos em câmara) queasseguraram aos organismos “captarem estímulos luminosos”, nos levam a relembrarDarwin em “como a seleção natural... pode produzir um órgão tão maravilhoso como o olho”(Darwin, 1859). Os olhos são suscetíveis de coletar o sinal luminoso e focar com lentes emcélulas fotorreceptoras especializadas para converter fótons em sinais neurais. Existemalguns olhos sem pupila ou lentes (Nautilus), mas, por definição, todos os olhos requeremcélulas especializadas para fototransdução.Três filos emergem do período Cambriano com olhos funcionais: Mollusca,Arthropoda e Chordata. Estas linhagens produziram essencialmente oito soluções ópticas
  • 124. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 116 Julho/2010para coletar e focar a luz. (Fig.1). Duas dessas soluções aparecem em Chordata, e umadelas é nominalmente usada como gradiente para um indíce de refração para produção delentes.Figura 1 – Tipos de olhos. Modificado de Fernald, 2000.FotorreceptoresAs unidades básicas do olho, as células fotorreceptoras, podem ser divididas emduas grandes classes, uma ciliar (conjunto de cílios sensíveis a luz) e um tipo microvilar(rabdomérico) o qual é constituído por um conjunto de células receptoras de luz, paralelasumas às outras, o exemplo mais comum é em olhos compostos de insetos que sãoformados por omatídeos (um pequeno sensor que distingue a claridade da escuridão) e esteé formado de uma lente e um rabdoma (Halder, 1995).A estrutura ancestral que poderia ser chamada de precursora do olho – “foto-olho” –não tem bem esclarecido o seu surgimento na árvore evolutiva. Alguns pesquisadoresargumentam que o foto-olho poderia ter surgido como duas pequenas estruturas compostas
  • 125. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 117por células fotorreceptoras e um pigmento celular, como observado em pequenas larvasciliadas no poliqueta trocóforo (Fig. 2) (Gehring and Ikeo, 1999; Pichaud and Desplan,2002).Em sua origem, o olho simples (ex. protozoário Euglena possui pequenas vesículassensíveis a luz “eyes spot”) poderia ter realizado alguma forma primitiva de visão a qual teriaa função de detectar a direção da luz para fototaxia e, além disso, poderia ter uma formaprimitiva de relógio circadiano, que permitisse a oscilação do animal entre ciclos de claro eescuro (Gehring e Rosbash, 2003).Especializado, este órgão fotorreceptor primitivo providencia uma discretainformação à célula dermal sensível a luz. A localização de fotorreceptores em pequenasvesículas ou bolsas com pigmentos sensíveis a luz proporciona informação adicional comoobservado em Euglena, existem células sensíveis a luz no citoplasma que contém umpigmento vermelho-alaranjado responsável por essa percepção da luz.Alguns estudos sugerem que o olho do tipo ciliar é comum a vertebrados e o do tipomicrovilar mais predominante em invertebrados (Land,1992; Fernald, 2000). Entretantonovas descobertas relacionando o gene “controlador principal” - homeobox, genesestruturais responsáveis por determinar qual a posição de determinadas estruturas dentrodo organismo - têm revelado um terreno comum aos olhos de praticamente todos os animaismulticelulares (Arendt, 2003).Durante a evolução do olho, tipos adicionais de células foram surgindo entre elascélulas dermais fotossensíveis. Aquelas que compõem as estruturas sensíveis à luzatingiram sua diversidade máxima na estrutura “olho em câmara” de vertebrados ecefalópodes, assim como nos olhos compostos de artrópodes (Arendt e Wittbrodt.,2001).Figura 2 – Foto ilustrativa (D. Arendt), Duascélulas - olho larval e protótipo pigmento-taça comolho fotoreceptores microvilares em Platynereisdumerilii (Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa).Ultra-estrutura larval 24 h (canto superioresquerdo), (canto superior direito) adulto (72 h) e(estrutura maior abaixo) olhos totalmentecrescidos. Em amarelo: células fotoreceptorasmicrovilar; verde: células de pigmento.
  • 126. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 118 Julho/2010Todos os fotorreceptores sensíveis à luz utilizam um pigmento derivado da vitaminaA e este pigmento está vinculado a uma proteína chamada Opsina. A informação luminosaativa a opsina e causa uma mudança na conformação do pigmento fotossensível, o qualpermite que a opsina se ligue a uma proteína G – uma molécula comum e versátil usado emmuitos sinais de transdução por cascata intracelular. Estas semelhanças sugerem que todosos olhos têm um antepassado evolutivo comum (Arendt, 2001).Nos vertebrados, a pax6 – importante fator de transcrição no desenvolvimento detecidos específicos – é exigida para a formação de praticamente todos os tipos de células daretina (Marquardt, 2001). Em Drosophila a pax6 é necessária para a formação de todo odisco dos olhos (Jang, 2003).Fotorreceptores microvilares são encontrados nos olhos compostos de artrópodes.Eles aumentam as suas superfícies apicais em numerosas dobras, nas quais a célulaparece ter um achatamento, com a composição de cerdas finas e cerdas membranosas,apesar de a própria célula poder assumir muitas formas em espécies diferentes. ATransdução do sinal em fotorreceptores microvilares envolve ativação de fosfolipase C(PLC) e do inositol tri-fosfato (IP3). Um exemplo de como se dá a formação de imagem podeser observado na Fig. 3 (Arendt, 2003; Arendt e Wittbrodt, 2001).Figura 3 – Representação da formação da imagem no (A) olho composto e no (B) olho em câmara.olho compostoolho de vertebrados
  • 127. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 119Fotorreceptores ciliares são comuns em vertebrados. Sua característica é umaumento da área superficial na membrana celular externa, uma modificação do cílio. Amembrana ciliar é expandida e empacotada em dobras profundas de modo que a região dereceptores da célula se parece com uma pilha de discos. Os fotorreceptores ciliares usamuma via diferente de sinalização, ativam uma fosfodiesterase (PDE) que muda aconcentração de GMP cíclico na célula. Tanto o IP3 e o PDE existem em todos os animais,a diferença está na via que é utilizada nos diferentes fotorreceptores (Arendt e Wittbrodt,2001).ConclusãoAs diferenças fundamentais de morfologia, desenvolvimento e estrutura dosfotorreceptores de diversos tipos de olhos encontrados no reino animal sugerem que osolhos surgiram independentemente pelo menos 40 vezes, especialmente ao compararmosas camadas da célula da retina que compõem o olho em câmara dos vertebrados(ganglionar, plexiforme interna, nuclear interna, plexiforme externa, nuclear externa, externa,epitélio pigmentar) (Fig. 4 do capítulo anterior). Os sistemas de transdução, por outro lado,são muito parecidos, desempenhando operações de detecção, amplificação e transmissão(Randall,1997).As evidências aqui levantadas nos mostram que existem relações importantes entreas estruturas básicas dos fotorreceptores e nos levam a refletir sobre o processo deevolução, onde cada grupo animal enfrentando pressões seletivas nos mais variadosambientes desenvolveu uma grande diversidade de tipos de olhos, cada um com suapeculiaridade, atendendo a condições necessárias a sobrevivência do indivíduo e,conseqüentemente, da espécie.
  • 128. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 120 Julho/2010
  • 129. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 121Causa e FunçãoPedro Leite RibeiroLaboratório de Ecofisiologia Evolutivapedrolribeiro@gmail.comApoiado numa trama de galhinhos de uma trepadeira, a uns 15 cm do solo, um ninhode tico-tico abriga um só filhote, na primeira semana de vida. Está sossegado, talvezdormindo, protegido do sol de verão pela folhagem acima. De repente, bem rápida, chega atico-tico e habilmente pousa na beirada do ninho. Ato contínuo, o filhote se ergue, pescoçoesticado para cima, o bico escancarado. A fêmea, agitada ou apressada, mete o bico goelaadentro do pidão, retira-o e, girando o corpo, voa para trás, na direção de onde chegou. Nãoficou nem um instante para descansar do sol dardejante de verão. Alguns minutos depois,ela chega de novo: mais uma refeição. Mais alguns minutos e a cena se repete. No entanto,ela não vai à exaustão total, e acaba descansando um pouco. O macho não apareceu por ali(Robert et al., 1961).A um metro dali, uns 15 cm abaixo da superfície do solo, enclausurada na câmaraque construiu, uma saúva fêmea, conhecida popularmente pelos nomes de içá e tanajura,põe mais um ovo de alimentação. Não é um ovo normal, do qual eclode uma larva. É bemmaior e é mole, em contraste com a casca dura dos ovos de procriação. Dobrando-seventralmente, leva as mandíbulas até a abertura de seu ovipositor, de onde o ovo vemsaindo, pinça-o com precisão, desdobra-se e o coloca delicadamente na boca de uma dasvárias larvas que estão todas juntas. Segura-o ali enquanto a larva vai sorvendo suarefeição (Autuori, 1940).Bem mais longe, uma outra fêmea, uma mulher, engata a primeira marcha em seucarro e parte para o shopping center. Na lista que leva na bolsa estão anotados vários itens,incluindo fraldas, mamadeira, chupetas, leite em pó e um carrinho de bebê. Enquanto dirige,ela pensa na lista, e faz cálculos de dinheiro. Fica preocupada e percebe que vai ter depagar com o cartão de crédito. Ao pensar em cada item, aparece em sua mente a imagemde um bebê: ela sorri.Os esforços desmedidos que tantas fêmeas - e também alguns machos, de aves eoutras classes de animais - fazem em favor de suas crias, em evidente desfavor de suaprópria sobrevivência, recebem uma explicação simples da teoria da evolução. Elas estãocuidando da sobrevivência de seus genes. Foram selecionadas. Se as fêmeas de tico-ticoficassem descansando na sombra, evitando as fadigas da busca de comida para seusfilhotes, seu dispêndio de energia seria muito menor e correriam menos riscos; porém,perderiam a prole. Seu cálculo da relação entre custos e benefícios não se completa nobalanço energético de seus próprios organismos; ele inclui a descendência como parte
  • 130. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 122 Julho/2010decisiva da equação. Abandonando o ninho, as tico-ticos estariam melhor, precisariam demenos alimentos para si mesmas, mas não transmitiriam esse comportamento a qualquerdescendente. O cálculo da formiga é um pouco diferente, mas essencialmente o mesmo.Fazendo o enorme esforço da fundação de um formigueiro, jejuando durante meses,vivendo de reservas, inclusive absorvendo seus músculos alares, ela não está trocando umavida mais fácil pela procriação. Ela é incapaz de sair da câmara subterrânea onde seencerrou e buscar comida na superfície. E se não construísse a câmara, ficariaperambulando pelo solo até ser morta ou morrer de inanição (Autuori, 1942, 1941). Suaúnica chance de viver depende de conseguir que suas filhas dêem início a um novoformigueiro. A tico-tico teria uma ou duas novas oportunidades na mesma estação e outrasmais no ano seguinte. Assim como fêmeas férteis dão origem a fêmeas férteis enquantofêmeas estéreis não dão origem a nada, mães extremadas dão origem a mães extremadas,enquanto mães omissas não dão origem a ninguém; são pontos terminais de linhagens. Afunção do ovário e de todo o conjunto de órgãos e processos que resultam na produção dosovos completa-se com o comportamento reprodutivo. A função de um órgão só se completacom o comportamento que o usa.O estudo funcional do comportamento é a busca de suas conseqüências para asobrevivência e para a reprodução. É no exame do contexto adaptativo e dos efeitos docomportamento que podemos descobrir suas funções. Entendido o organismo como umsistema que está configurado para manter-se e reproduzir-se, com a manutençãosubordinada à reprodução, é no entendimento do papel de cada comportamento que se dá oestudo funcional. Pois são estas, as funções, o alvo direto das pressões seletivas ao longodo processo de seleção natural. É comum que os estudantes de Psicologia e Biologiasintam certo mal-estar com o conceito de função por causa de sua proximidade com asidéias de meta, fim, finalidade, propósito e objetivo. Trata-se de um desconforto filosófico,em face do justo receio de adotar uma visão teleológica da evolução, como se o futuropudesse determinar o passado. Tal inquietude, no entanto, decorre de um exame superficialdo conceito de função. É claro que é uma tolice rematada conceber a evolução como umdesígnio divino, algo como a realização de um projeto ou o desdobramento de um plano dealguma forma presente desde sempre. Uma das muitas notáveis propriedades da mentehumana é a sua habilidade de decifrar as intenções por trás do comportamento alheio. Essafaculdade, tão adaptativa nas relações sociais, facilmente transborda de seu uso funcionallevando-nos à ilusão de perceber intencionalidade e consciência onde elas não existem.Programando engenhosamente a movimentação de alguns pequenos círculos numa tela decomputador, o leitor poderá demonstrar a um observador sua tendência a interpretar amovimentação como se houvesse um enredo de fugas e perseguições. Ora, ao aprenderque o estudo científico não pode deixar-se contaminar ingenuamente pela subjetividade, o
  • 131. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 123estudante pode hesitar quando se depara com o conceito de função. Contudo, é precisoentender que a Ciência pode adotar termos de uso corrente sem trazer suas conotações eimplicações. A descoberta de que o canto do tico-tico tem a função de proteger seu territórioe seduzir as fêmeas não significa que ele tenha de seu comportamento a mesmaconsciência que tem um ser humano em situações análogas. Assim como não há erroconceitual em descrever as peças de um automóvel dizendo qual é o objetivo de cada umadelas, ou dizer que um robô procura e usa a tomada para recarregar, ou com o objetivo derecarregar sua bateria, assim também não há teleologia em reconhecer que a evoluçãocriou organismos dotados de recursos que dão conta de sua manutenção e reproduçãoagindo como se estivessem sendo controlados pelas conseqüências de suas ações.O controle de suas ações, no entanto, aquilo que os leva a fazer o que fazem a cadamomento, constitui um outro tipo de fenômeno, que devemos chamar de causas docomportamento. O que leva a içá a fazer cada um de seus movimentos são os estímulos doambiente e de seu próprio corpo, seus hormônios e as programações de seu sistemanervoso. Portanto, a pergunta "por que a içá alimenta as larvas?" tem duas respostas, umafuncional e outra causal. A observação de que as larvas de formigas são inertes, incapazesde se alimentarem sozinhas, terá valor no plano funcional. Já a indagação "será que aslarvas dão algum sinal de suas necessidades, ou a produção de ovos de alimentaçãoobedece a um programa que independe do estado das larvas?" cabe no plano causal.Investigar se a quantidade de testosterona afeta a freqüência ou a intensidade do canto dotico-tico é um estudo causal. Já o efeito do canto sobre a preservação do território é umaquestão funcional. Note-se que esse mesmo canto deve também ser entendido comoestímulo que atinge os ouvidos dos machos rivais. Examinado dessa forma, em busca decomo ele controla as ações dos rivais, por exemplo, fazendo-os mais ou menos agressivos,o canto está dentro de um estudo causal. Essa aparência de que funções se desenvolveram“para resolver determinados problemas” está relacionada ao fato de que o ambientefunciona de forma relativamente regular, possibilitando a seleção de programas genéticos,moldados ao longo de uma prolongada história adaptativa; embora presentemente gerem asensação de finalidade na sua construção, podem ser explicados como fruto do acasosubmetido à seleção, portanto, obra da adaptação.Niko Tinbergen, prêmio Nobel de 1973, organizou o estudo do comportamento emquatro tipos de resposta à pergunta por quê. A resposta causal, que tem, na maioria dasvezes, o seu entendimento feito através de estudos de fisiologia, a funcional, cujo estudo énormalmente associado a questões relacionadas com ecologia, e mais duas que não serãoaqui examinadas. Filogênese: por que esta espécie tem esse comportamento? Comoevoluiu? Como se comportavam seus ancestrais? Quais foram as pressões seletivas que omoldaram? Ontogênese: o repertório comportamental de uma espécie não surge todo no
  • 132. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 124 Julho/2010recém-nascido. Como se dá seu desenvolvimento? Por que tal comportamento aparece emtal idade? Qual é o papel do aprendizado?O entendimento da diferença entre causa e função serve bem para evitar confusõesconceituais. O esclarecimento da função de um comportamento não resolve o problemacausal, mas é útil para gerar hipóteses sobre os fatores que atuam sobre ele. Existemmariposas que subitamente, em pleno vôo, deixam-se cair como se tivessem sidomortalmente feridas. Alguns segundos depois, antes de atingirem o solo, elas recobram seuvôo normal. A descoberta de que a função desse comportamento é protegê-la do ataque demorcegos leva-nos a buscar algum órgão receptor do ultra-som usado pelos morcegos emseu sistema de ecolocação.Em condições normais, no ambiente natural, os fatores causais e as funções têm umentrosamento admirável. A receptividade sexual acontece quando o organismo está prontopara a reprodução, apetites específicos quando ocorrem carências específicas, a sedequando falta água, e assim por diante. Sim, esse entrosamento torna-se admirável quandose apreende bem a noção de que uma função não produz por si só o comportamentocorrespondente. Não é óbvio que a falta de água leve o animal a beber. Entre a falta deágua nos tecidos e as atividades de procurá-la e ingeri-la, é necessária a ação de fatorescausais adequados, a começar pelo reconhecimento correto do objeto, ou seja, o animaldeve engolir água e não areia ou flores. E deve tomá-la e não atacá-la com mordidas. Acompreensão da diferença entre causa e função tem a virtude de problematizar ocomportamento.Em condições anormais, seja no ambiente natural seja no laboratório, causas efunções podem desencontrar-se, revelando de forma dramática como é notável oentrosamento normal. Lesões do hipotálamo lateral tornam os ratos inapetentes a ponto demorrerem de inanição com comida abundante ao seu alcance. As vítimas humanas deanorexia entendem bem a diferença entre precisar de comida e ter fome. Drosófilasmutantes sem asas movem as patas traseiras como se as estivessem limpando. Algunscães domésticos dão uma volta em torno do lugar onde estão prestes a deitar-se paradormir. Há pelo menos um caso bem documentado de cópula entre um chimpanzé e umafêmea babuína. E temos também que estar preparados para encontrar comportamentos cujafunção principal não é sua única função, como a sexualidade dos bonobos que, emcondições normais no ambiente natural, inclui rotineiramente relações entre machos, entrefêmeas e entre adultos e jovens impúberes. Há alguns casos documentados de adoçãointerespecífica (Otoni et al., no prelo). No comportamento lúdico, tão comum em mamíferos,mas presente também em aves, os jovens fazem coisas de adultos, fora tanto do contextofuncional como do causal.Assim como nossa capacidade empática pode induzir-nos ao erro de antropomorfizar
  • 133. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 125o comportamento animal, os animais também têm seus transbordamentos motivacionais.Tais exceções não devem ofuscar o extraordinário ajuste entre causas e funções sem o qualnão haveria manutenção nem reprodução.Dias antes daquela ensolarada manhã em que a tico-tico cuidava de buscar comida,ela vinha sendo furtivamente observada por uma fêmea de chupim. Se a percebesse, a tico-tico talvez tivesse ido embora, abandonando o ninho, para fazer outro em lugar mais seguro.Não a viu, e a chupim conseguiu botar um ovo junto aos seus. Por predação ou furados pelachupim, os ovos perderam-se todos, menos um, o da chupim. Foi vã toda a dedicação datico-tico. Explorando o sistema causal da hospedeira, a chupim logrou desvirtuar a funçãodo comportamento da tico-tico, em seu benefício. O parasitismo comportamental é uma liçãofascinante acerca dos modos como o comportamento é controlado. A tico-tico vai continuara cuidar do chupim como se fosse seu filho até sua independência, mas terá novas chancesnos anos seguintes (Buzzetti, 2004).A içá que alimentava as larvas com ordem e precisão perdera a pequena porção defungo que pegou do ninho onde nasceu e trouxe na bolsa infrabucal. Essa pelotinha defungo era essencial. Ela ia depositá-la com todo o cuidado no chão da câmara, e depoismeticulosamente alimentá-la com suas fezes e fazê-la prosperar. Sem esse jardim de fungo,seu esforço é vão. Ela continuará a alimentar as larvas, que se tornarão pupas e depoisobreiras que vão cavar um túnel para cima e procurar alimento na superfície. Porém, semfungo, o alimento será inútil e mãe e filhas não vão durar muito. Mesmo tendo perdido ofungo, a içá continuou a responder aos estímulos presentes. Não existe nenhumapossibilidade de a seleção natural operar e cancelar essa inércia comportamental.O bebê cuja lembrança fez sorrir a mulher que ia ao shopping center preocupadacom a despesa não é seu filho. É filho de uma amiga, mãe solteira, que está sem dinheiro.O filho foi planejado. Ela tinha um bom emprego. Não queria casar-se e procurou umhomem com o único fim de ter o filho. Perdeu o emprego e sua vida ficou complicada. Aamiga, solidária, está feliz de poder ajudar. A complexidade do comportamento humano éum desafio para a análise de causas e funções. O comportamento da mulher que presenteianão parece ser um excesso de cuidados maternais. Lembra mais os comportamentosaltruístas de fortalecimento de vínculos interpessoais, comuns em animais sociais. Já ocomportamento da mãe, ao planejar o filho, parece inverter ou fundir a relação entre causa efunção. Diferentemente de qualquer outro animal, ela conhece a relação entre a cópula e agravidez e entre esta e o nascimento de uma criança. Mesmo que tivesse aversão ao atosexual, ela poderia lançar mão da inseminação artificial. O filho, neste caso imaginárioespecífico, não é a conseqüência desconhecida ou desconsiderada da atividade sexual.Isso foi assim, na pré-história, antes de nossos ancestrais descobrirem a relação entre sexoe procriação. No caso que estamos examinando, a reprodução, que normalmente reside no
  • 134. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 126 Julho/2010plano funcional, é uma causa dos comportamentos da mãe. Pode-se fazer uma analogiacom o comportamento de busca de algo perdido, que muitos animais são capazes de fazer.Uma fêmea que se perca de seu filhote e saia a procurá-lo também constitui um caso emque a distinção entre causa e função fica reduzida ou anulada. A memória e a capacidadecognitiva permitem que um animal se comporte em relação a um objeto do qual não recebequalquer estimulação. O comportamento nesse caso tem a função de encontrar o objeto queé também parte de suas causas.Em nós, humanos, a cultura trouxe alterações importantes tanto ao plano causal quanto aofuncional. Ela não destruiu os sistemas que operavam antes de sua origem. Ela ostransformou em algo que ainda não conseguimos entender. Curiosamente, a cultura criou osrecursos que nos permitem organizar o pensamento científico e com ele progredir noentendimento do que fazem os outros animais, mas não se revela facilmente a si mesma. Aspróprias causas e funções de seu desenvolvimento constituem um desafio difícil que ainda éobjeto de debate entre os que se dedicam a elucidá-las. Com métodos de observação eexperimentação cada vez mais refinados, biólogos e psicólogos vêm progredindo de modoacelerado no estudo do comportamento animal e humano. A pergunta "Por que esse animalestá se comportando desse modo?" recebe respostas cada vez mais amplas econvincentes. Quando trocamos animal por ser humano nessa indagação, as respostas sãomais hesitantes, porém o progresso é indiscutível, e as próximas décadas deverãoproporcionar descobertas fascinantes (Lorenz, 1981).
  • 135. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 127PercepçãoFelipe Viegas RodriguesLaboratório de Neurociência e Comportamentorodrigues.fv@gmail.comPercepção é um função do sistema nervoso central que depende do entendimentodos sistemas sensoriais, mas vai além destes. Entender percepção é entender não somentecomo percebemos alguma coisa (seja vendo, ouvindo ou sentindo estímulos), mas tambémpor que percebemos e quais as implicações para com outros aspectos da cognição, como amemória ou a atenção. Falar em percepção é falar sobre os córtices associativos.Esse campo de estudo lida com dois problemas: (1) como todos os aspectos deum estímulo sensorial são entendidos e processados (cor, forma, movimento para visão;intensidade, timbre, altura para audição, por exemplo) e (2) qual a relação com outrasfunções da cognição, especialmente atenção e memória.Uma das principais diferenças entre a percepção e as sensações é a constânciaperceptual. Tome por exemplo a Fig. 1. Não importa qual a posição do carro mostrado nafigura, sabemos que se trata do mesmo carro, apesar das quatro imagens serem distintas eprovocarem estimulações diferentes nas porções iniciais do sistema visual. O mesmoprincípio é verdadeiro para a percepção de uma mesma nota musical tocada porinstrumentos diferentes. Embora as frequências produzidas por eles sejam diferentes, comalterações dos harmônicos que compõem o som resultante (dando a cada instrumento seutimbre), a percepção de uma determinada nota é mantida.A constância perceptual só é possível pela integração da informação sensorialcom a informação de outras regiões encefálicas, inclusive (ou talvez principalmente) dasmemórias adquiridas ao longo da vida. Esse mecanismo depende, portanto, de aprendizadoe ele é possivelmente umaparticularidade da espécie humana.Experimente colocar um capacete deciclismo (que cobre apenas a partesuperior da cabeça) e aparecerdiante do seu cachorro. Eleseguramente o estranhará. Por outrolado, o reconhecerá pelo cheiro evoz, o que o fará parar de hesitarapós algum tempo. Humanos sãoúnicos em sua capacidade deabstração, capazes de ver um troncoFigura 1 – A imagem na retina é imensamente diferentepara os quatro desenhos. Ainda assim, perceptualmentelogo nos damos conta de que se trata do mesmo carro.Retirado de Gazzaniga, Ivry e Mangun (2006).
  • 136. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 128 Julho/2010cortado em uma floresta e imediatamente pensar: “Que bom! Um banco para descansar!”.O interesse pelos mecanismos de percepção veio a partir de casos clínicos delesões cerebrais, em geral por acidentes vasculares cerebrais (AVC), em que os pacientestiveram comprometimento da percepção. Tais pessoas se tornaram incapazes dereconhecer objetos ou pessoas que antes lhes eram muito familiares. Uma investigaçãominuciosa evidencia que tais pessoas podem descrever em detalhes o que lhes é pedido, oque descarta problemas de memória. Mais do que isso, a estimulação por outra modalidadesensorial resulta em imediata identificação do objeto ou pessoa em questão, levando aoentendimento de que o problema é perceptual e, em geral, associado a apenas umamodalidade sensorial. Ao conjunto de sintomas de incapacidade de percepção é dado onome agnosia.Vias perceptuaisAs lesões cerebrais que levam a problemas de percepção frequentemente sãoaquelas que ocorrem em áreas dos córtices parietal posterior, temporal inferior ou facelateral do córtex occipital. Essas regiões encontram-se na confluência das áreas sensoriaise, como já mencionado, são parte dos chamados córtices associativos, pois recebemaferências corticais das regiões sensoriais e integram aferências múltiplas paradesempenhar funções cognitivas supramodais e comportamentais específicas. Algumasdessas regiões são neoformações em primatas e elas constituem a maior parte do córtexcerebral, particularmente no caso da espécie humana (Preuss, 2006).VisãoO sistema visual é a modalidade mais estudada de todos os sistemas sensoriaisconhecidos. No capítulo sobre fisiologia sensorial foi possível entender como se dá oprocesso de transdução do estímulo luminoso em sinal elétrico e como essa informação élevada até o córtex. Vamos elucidar agora como essa informação é manipulada e integradacom informações de outras regiões corticais para, de fato, entender como percebemos.A informação que chega até o córtex visual não para em V1, pelo contrário, essainformação continua avançando por diferentes regiões, adentrando os córtices temporalinferior e parietal posterior, passando por populações de neurônios especializadas noprocessamento de características específicas de um estímulo visual. Uma particularidadedesse sistema sequencial é que a cada conjunto de sinapses que são realizadas a partir deV1, mais fibras vão convergindo na rede neural. Com esse arranjo, quanto mais adiante nasequência esteja uma população de neurônios, mais específica é sua função noprocessamento visual: enquanto aquelas no início da cadeia de processamento disparampara simples estímulos em forma de barra (com populações específicas para as diversasangulações possíveis dessa barra), há neurônios mais adiante nessa cadeia que só
  • 137. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 129dispararão para combinaçõesdessas barras ou se o estímuloem questão tivercaracterísticas de um móvel(Fig. 2).Apesar do arranjo sequencial,as evidências atuais apontampara um processamento emparalelo dessas diversasregiões. Casos clínicos depacientes que tiveram um AVCem regiões muito específicasdo encéfalo (nos córticesassociativos) revelam a perdade percepção de algumcomponente da visão, comomovimento ou cor, mas não deoutras características, mesmoque estas sejam processadasmais adiante na sequência deprocessamento visual. O maiortempo de reação paradetecção de um estímulo visual quando mais de uma característica precisa ser analisadaem um teste perceptual (cor e forma, por exemplo) também reforça a ideia doprocessamento em paralelo. Se apenas uma das características for necessária para adetecção do estímulo, independente de qual delas, o tempo de reação é menor.Na Fig. 3 pode ser vista uma representação das diferentes regiões deprocessamento visual e o papel de cada uma delas na construção de um percepto visual.Vale ressaltar que o arranjo existente nos permite definir uma via dorsal e outra ventral deprocessamento. Através da via dorsal, podemos entender “onde” vemos um objeto, já queessa via nos trás informações sobre movimento e posição espacial de um objeto. Já a viaventral nos traz informações de “o quê” vemos, permitindo identificar características comocor e forma de um objeto.Figura 2 – Estrutura sequencial na organização dos córticesassociativos do SNC. Quanto mais adiante na sequência, maiscomplexo é o estímulo para qual a população de neurônios iráresponder. Modificado de Lent, 2006.
  • 138. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 130 Julho/2010Figura 3 – Vias paralelas de processamento do estímulo visual: via dorsal (córtex parietal posterior),para processamento de informações sobre localização espacial e movimento, e uma via ventral(córtex temporal inferior), para processamento de informações como cor e forma do objeto emquestão. Retirado de Kandel e col. (2000).Evidências clínicas, mais uma vez, não deixam dúvidas de que essas viascolaboram de forma independente para a percepção de um objeto qualquer. Um pacientecom lesão em regiões da via ventral poderá afirmar não existir uma caneta (objeto) sobreuma mesa diante dele. Apesar disso, se ele for instruído a imaginar um objeto sobre a mesae demonstrar como seria o movimento para pegar esse objeto, esse indivíduo faria omovimento correto e até mesmo poderia pegar a caneta. A ativação de todas as regiõescorticais é necessária para que possamos ter a “correta” percepção de um objeto à nossafrente; o uso de aspas justifica-se porque, falando-se em percepção, simplesmente não há“correto”, mas sim uma experiência pessoal que é fortemente influenciada pelas nossasmemórias, emoções e a atenção deslocada a um dado estímulo do ambiente. Falaremosmais sobre isso nos tópicos seguintes.AudiçãoO sistema auditório e seus córtices associativos adjacentes têm sido mais bemestudados nos últimos anos. Novos experimentos têm trazido evidências de que oprocessamento de diferentes características do som também ocorre em diferentes regiõescorticais. Semelhantemente ao sistema visual, existem duas vias de saída para os córticesassociativos: uma anteroventral, relacionada à percepção de características do som comotimbre e tonalidade; e outra posterodorsal para a percepção de características espaciais elocalização do estímulo.De fato, Bendor e Wang (2005) encontraram no córtex auditivo de saguis-comuns(na região anteroventral) neurônios capazes de perceber tons, isto é, que disparam para
  • 139. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 131uma determinada frequência e também para seus múltiplos. Essa relação entre frequênciasé exatamente aquela encontrada entre duas oitavas musicais. Essa população de neurôniosprovavelmente existe também em outras espécies de primatas, incluindo os humanos. Épossivelmente pelo disparo desses neurônios que identificamos as notas semelhantes entredois instrumentos musicais diferentes. Como no carro da Figura 1, é a constância perceptualpara estímulos sonoros.Por outro lado (ou, melhor dizendo, por outra via...), morcegos são um exemplobrilhante do funcionamento da via posterodorsal e a capacidade de localização porestímulos sonoros. Acredita-se que eles sejam capazes de estabelecer um mapa doambiente por onde se locomovem tão preciso quanto aquele que estabelecemos pelaestimulação visual. Tentar imaginar algo como isso é quase impossível, mas, novamente,isto é apenas um reflexo da forma como percebemos o mundo. Seria como tentar imaginarcomo um cego (de nascença) percebe o mundo. Embora você provavelmente tenhapensado em fechar seus olhos e prestar atenção aos sons, cheiros e pressões (táteis) aoseu redor, isto não é o que um cego percebe do mundo. Para ele a estimulação visual nuncaexistiu, logo, perceber o mundo não é “ver” uma imagem preta e atentar às outrassensações. Para ele, são apenas as outras sensações.Há casos bem documentados de pessoas que conseguiram desenvolver acapacidade de se ecolocalizar (como os morcegos) para se locomover. Essas pessoasparecem criar mapas rudimentares do ambiente, precisos o suficiente para se locomoveremsem maiores problemas.Memórias atentas ao contextoEm diversos mamíferos, após um estímulo percorrer todos os circuitosnecessários à sua percepção (ainda que de forma inconsciente), invariavelmente elechegará à região anterior do lobo frontal (ou estruturas homólogas). Essa região estáenvolvida com memória operacional e atenção, especialmente no caso de primatas (epossivelmente em outros mamíferos), e é onde o estímulo será integrado com memóriaspassadas e, se o estímulo tiver maior relevância para o organismo (ou simplesmente se forum estímulo muito forte – como um ruído muito alto), ganhará maior processamento neuraldestes circuitos, resultando em um fenômeno que chamamos comumente de atenção.É interessante notar que a definição de qual estímulo receberá atenção em umdado momento também dependerá do contexto em que se encontra uma pessoa. Imagine-se na sua rotina diária no colégio alguns anos atrás. Você consegue se lembrar com quefacilidade você percebia o sinal da sua escola soar perto do horário de ir embora? Oumesmo quantos “alarmes-falsos” você tinha durante essa espera? Da mesma forma,círculos vermelhos não devem significar nada para você neste exato momento, mas eles
  • 140. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 132 Julho/2010terão muita importância quando estiver dirigindo para algum lugar. Essas diferenças sutisnaquilo que percebemos são produto de ativação de circuitos de atenção e das memóriasque acumulamos ao longo da vida.Ilusões e hemisférios cerebraisTer memórias significa aprender sobre o ambiente que nos rodeia. Quando essasmemórias são integradas com nossa percepção, não é raro que tenhamos uma visãodistorcida daquilo que está diante de nós. Tome por exemplo a Fig. 4A. Qual das duasbarras horizontais é maior? À primeira vista, todos dirão que a barra superior é maior.Apenas alguns, após uma análise mais cuidadosa, dirão que ambas tem o mesmo tamanho.Isso não significa que falhamos em enxergar. Apenas nos deixamos levar pelo aprendizadoque tivemos em toda nossa vida: ao longo dos anos,vemos que linhas de mesmo tamanho parecem menoresquanto mais distantes elas estão de nós. As barrasconvergentes na Fig. 4 criam a ilusão de algo que sedistancia. Assim, percebemos as barras paralelas comosendo de diferentes tamanhos. Olhe a Fig. 4B e issoficará ainda mais claro.(A) (B)Nosso treino para perceber formas geométricas nos faz enxergá-las até mesmoonde elas não existem. A Fig. 5 sugere o formato de um triângulo, mas sem todas as suasbordas esperadas, de fato. A figura é conhecida como Triângulo de Kanisa. Algumaspessoas chegam a dizer que ele é mais branco que as áreas em volta! A explicação direta éque nos acostumamos a enxergar com mais luz algo que está em primeiro plano.As ilusões de óptica não se resumem apenas a fenômenos mnemônicos (quedizem respeito à memória). Há também efeitos causados pelos próprios receptoressensoriais. Você provavelmente já se deparou com imagens como as que estão na Fig. 6. Aestimulação de um determinado receptor retiniano para cor por um período prolongado levaà percepção da cor complementar correspondente, o que faz com que, ao olhar para umFigura 4 – Ilusão de Ponzo. Aslinhas paralelas em (A) parecemter diferentes tamanhos, apesarde serem iguais. Em (B) umapossível explicação biológicapara esse efeito.Figura 5 – Triângulo de Kanisa.
  • 141. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 133fundo neutro (branco, preto ou qualquer tom de cinza), perceba-se cores trocadas naimagem.Figura 6 – Efeito de pós-imagem. Uma ilusão criada pelos receptores sensoriais quandosuperestimulados por uma determinada cor. Olhe fixamente por cerca de 30 segundospara qualquer um dos pontos pretos nas imagens e, em seguida, para uma paredebranca. O que você vê?Essa questão torna-se extremamente importante quando pensamos em contraste.A percepção de uma cor em um determinado momento é influenciada não somente pela corem si, mas pelas cores em volta da mesma. Quão diferentes são as cores dos quadrados“A” e “B” na Fig. 7? A resposta correta é: nada diferentes! Não há modificações! Issoacontece porque as cores ao redor da cor atentada influenciam a percepção da mesma.Figura 7 - Os quadrados “A” e “B” da figura são diferentes na cor? Não! Os quadrados não sãodiferentes!De forma mais ampla, somos influenciados por diferenças entre nossoshemisférios cerebrais. Apesar de estes trabalharem sempre em conjunto, comativações bilaterais, diferenças sutis na ativação refletem certas dominâncias inter-hemisféricas que podem também resultar em diferenças na percepção. Testes compacientes que sofreram um AVC e estudos com animais lesionados sugerem que ohemisfério esquerdo se encarrega primordialmente da percepção de detalhes deuma imagem, enquanto que o hemisfério direito se encarrega das característicasglobais. Veja na Fig. 8 como estes pacientes desempenham em um teste simples decópia de uma figura. Essas diferenças manifestam-se também na percepção defiguras com conteúdo ambíguo. O que você percebe à primeira vista na Fig. 9?
  • 142. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 134 Julho/2010Figura 8 – Desempenho de pacientes com hemisférios cerebrais paralisados em umteste de cópia de figura. Pacientes que tem apenas o hemisfério esquerdo funcionante,percebem os detalhes das imagens originais, mas perdem a forma global. Por outrolado, pacientes com apenas o hemisfério direito funcionante percebem a forma global,mas não se dão conta dos detalhes. Retirado de Lent, 2006.SinestesiaA sinestesia é um caso muito específico de percepção em que umadeterminada modalidade sensorial gera apercepção de outra modalidade. Um doseventos mais frequentes é a percepçãosecundária de cores após a estimulaçãoprimária por um grafema, seja um número ouuma letra (ou até mesmo palavras). Apercepção induzida pelo estímulo primário ésempre muito específica e unidirecional (aestimulação pelo percepto induzido não geraa percepção do estímulo indutor pareado,isto é, se a palavra “casa” induz a percepçãoda cor amarela, o contrário não acontecerá).Um sinesteta pode repetir mais de centenasde pares de percepções com pouco ounenhum erro.Frequentemente a percepção induzida é a de cores, seja por grafemas,como dito acima, ou por sons (palavras em geral); mas há relatos bemFigura 9 – O que você vê nesse quadro?
  • 143. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 135documentados de palavras gerando percepção de gostos, gostos gerando formas,cheiros para cores e, mais curiosamente, música (ou intervalos tonais ousimplesmente tons) para cores ou formas. As percepções secundárias de gostos etambém cheiros são menos comuns, embora exista pelo menos um caso bemdocumentado de percepção secundária de gostos induzida por intervalos tonais(musicais). A mesma pessoa reporta possuir o caso mais comum de sinestesia entretonalidades musicais e cores.A investigação sobre o fenômeno é ainda muito recente e algumasperguntas básicas sobre o assunto só agora começaram a ser respondidas. Emrelação aos mecanismos neurais que possibilitam a sinestesia, duas proposiçõesforam feitas: alterações estruturais e alterações funcionais. A Fig. 10 apresenta umresumo dos modelos de mecanismos possíveis.Figura 10 - Modelos de Sinestesia. Os modelos diferem na rota proposta de ativação cruzada (diretaou indireta) entre as regiões indutora e concorrente e nas diferenças subjacentes ao sinesteta(estruturais ou funcionais). Regiões em amarelo estão ativas (começando pela região indutora) e, emazul, inativas. Conexões excitatórias são mostradas como flechas e inibitórias como pontas em traço.Linhas pontilhadas representam conexões presentes estruturalmente, mas funcionalmente inativas.Modificado de Bargary e Mitchell (2008).As evidências de casos clínicos e fenomenologia da sinestesia apontammais fortemente para alterações estruturais na conectividade cerebral, com ligaçõesanormais entre as regiões indutora e induzida no cérebro de sinestetas (Bargary e
  • 144. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 136 Julho/2010Mitchell, 2008). Vale ressaltar que diferentes possuidores de uma mesma sinestesia(tons para cores, por exemplo) podem reportar associações diferentes para a corinduzida. Se um deles disser que um dó maior é azul, o outro poderá dizer: “Isto estáerrado!”. Não se sabe por que a indução de cores é muito mais frequente que aindução de outras percepções.Diferenças na manifestação da sinestesia ainda levaram à sugestão deuma classificação em dois tipos de sinestetas: (1) de ordem baixa e (2) de ordemalta (Ramachandran e Hubbard, 2003). Essa divisão leva em consideração o estágiode processamento em que ocorre o fenômeno perceptual. Sinestetas de ordembaixa tendem a ter o efeito de indução apenas com estímulos muito específicos, porexemplo: números escritos na língua de origem. Já os sinestetas de ordem alta têmo efeito de indução toda vez que o conceito que um determinado indutor sugere estápresente. Tomando por base o exemplo anterior, nos sinestetas de ordem altamesmo algarismos escritos em números romanos (que nada mais são do que letras)poderiam gerar a percepção induzida.A incidência da sinestesia na população mundial é de algo entre 1% e 4%(Simner e colaboradores, 2006), um valor bem diferente dos 0,05% anteriormentesugeridos. Estudos em primatas dão indícios de que essas conexões “anormais”estão naturalmente presentes no organismo durante a fase fetal e o período delactância, mas após esse período essa hiperconectividade de regiões sensoriaistende a ser removida do cérebro. Isto ainda não fora comprovado em recém-nascidos humanos, mas observações comportamentais levam à sugestão de que háuma “confusão sinestésica” nas primeiras semanas de vida. A plena maturaçãoperceptual e a segregação dos sentidos viriam apenas após alguns poucos mesesde vida, portanto. De qualquer forma, não ouse afirmar que um sinesteta temsentidos menos maduros ou perguntar a ele “como é viver assim?”. A respostasempre presente após essa pergunta é: “Como você vive assim?!”.Concluir é um problemaUma das maiores questões ainda não respondidas com respeito àpercepção é como geramos um percepto único das estimulações constantes ànossa frente se aspectos diferentes de um estímulo são processados em regiõesdistintas do córtex cerebral (e.g. cor, forma, movimento, etc., no caso da visão). É ochamado binding problem.
  • 145. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 137Uma das possíveis explicações para a forma como geramos um percepto éa de que, pelo sequenciamento de neurônios no encéfalo, com cada vez maisneurônios se juntando em um próximo neurônio (e, consequentemente,complexando o estímulo processado), ao final do processamento, invariavelmentetodas as informações sobre o estímulo estariam ali reunidas. A quantidade deregiões envolvidas e a divisão do processamento em duas vias (dorsal e ventral),porém, não favorece essa explicação.Parece mais plausível aos pesquisadores que o encéfalo forme umpercepto único pela sincronização do disparo dos neurônios das diferentes regiõescorticais, ainda que cada uma delas esteja envolvida no processamento de distintosaspectos de um estímulo apresentado. Essa explicação, porém, ainda carece decomprovações.O estudo de casos de sinestesia tem trazido algumas colaborações paraaquilo que entendemos sobre percepção. Alguns sinestetas relatam a percepção decores estranhas, diferentes de qualquer cor que eles já tenham visto em algumobjeto ou lugar. Um deles chegou a chamar essas percepções sinestésicas de“cores marcianas”. Ramachandran e Hubbard (2003) atribuem essas coresestranhas à ligação cruzada (ou direta) de um córtex sensorial para outro, o que“desviaria” o processamento de estágios iniciais da percepção de cores. Segundo osautores, isso sugere que a experiência subjetiva da percepção de cores dependenão só do processamento final, mas de todo o padrão de atividade neural que leva àformação de um percepto, incluindo as fases iniciais do processo.Estando certa ou não a sugestão dada por Ramachandran e Hubbard (2003), ficaclaro que ainda precisamos entender muito sobre os mecanismos pelos quaissimplesmente percebemos o mundo que está ao nosso redor. Ou talvez um diatenhamos a certeza de que, desde sempre, apenas representamos internamente oque é percebido externamente. Pelo menos é isso que os estudos sobre atenção ememória sugerem cada vez mais fortemente.
  • 146. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 138 Julho/2010
  • 147. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 139Memória e seus aspectos evolutivosLeopoldo Barletta MarchelliLaboratório de Neurociência e Comportamentoleopoldo.barletta@gmail.comDas propriedades que emergem da organização e funcionamento do sistemanervoso, a memória é tida como um dos resultados mais fascinantes. O que demonstra apresença de memória em um organismo é a capacidade que ele tem de alterar seucomportamento em virtude de experiências anteriores. Essa propriedade manifesta-se emhumanos de diferentes maneiras, por exemplo, na execução habilidosa de uma açãomotora, no relato de uma experiência de infância, na lembrança de locais específicos epessoas conhecidas, aprendizagem de conceitos, ou no próprio uso da linguagem e suasregras.A grande capacidade de interagir com o meio e armazenar informações provenientesdele, permite que determinados organismos eventualmente aprendam sobre informações eregras ambientais relevantes (altamente informativas). Isso ocorre na medida em que osistema nervoso reage a estímulos e às suas contingências espaciais (onde) e temporais(quando). Ainda sim, o sistema nervoso é capaz de detectar relações entre esses eventos esuas respostas, num processo de aprendizagem que tem como conseqüência atransformação de sua própria estrutura e funcionamento. Com o acúmulo de informaçõessobre experiências anteriores, organismos portadores de sistemas de memória passam adetectar regularidades e de certa forma prever o ambiente. Desta forma, podem relacionargrandes quantidades de informações passadas e presentes e selecionar quais receberãoum processamento preferencial por meio do direcionamento da atenção.O fato de um organismo portar sistemas capazes de armazenar e processardeterminadas informações confere a ele considerável vantagem adaptativa. Em função deexperiências prévias podem flexibilizar o controle de seus comportamentos e gerarrespostas mais adequadas às demandas ambientais. Isso lhes garante um repertório desoluções para os mais diversos problemas que a sobrevivência impõeAspectos evolutivos e comportamentaisAos olhos da teoria proposta por Charles Darwin em 1859, sistemas biológicos sãotidos como produtos da evolução por seleção natural, que pode favorecer odesenvolvimento de um sistema mais adaptado. Há de se ressaltar que todo o processoevolução das espécies, ocorre de maneira constante, lenta e gradual.Além de a seleção atuar sobre estruturas e mecanismos, ela age tambémselecionando comportamentos. Por exemplo, se um ambiente é relativamente simples e
  • 148. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 140 Julho/2010possui certa regularidade, a seleção natural pode favorecer indivíduos que sejam capazesde gerar “previsões” de tal ambiente e responder de maneira antecipatória. Neste casoesses indivíduos estariam então mais aptos para tal ambiente. Se, no entanto, acomplexidade de tal ambiente aumentar, a imprevisibilidade pode tornar-se um problema.Indivíduos que tiverem um sistema mais flexível, capaz de obter e armazenar o máximo deinformações relevantes sobre o ambiente, estarão mais aptos a reagirem prontamente aestímulos ambientais. Assim sendo, serão capazes de solucionarem problemas de maneiraantecipatória quando um padrão regular puder ser identificado.O comportamento antecipatório baseia-se na combinação de informações temporaise espaciais. A habilidade de adquirir e armazenar tais conhecimentos pode favorecer aprevisão de eventos e suas conseqüências que necessariamente determinam uma ação(resposta a esse evento). Uma vez gerada a previsão de um evento, artifícios antecipatóriospossibilitam que planos de ação sejam elaborados antes mesmo da ocorrência desseevento. Em outras palavras, além de planejar uma ação antes de sua execução, fazendouso de processos antecipatórios, o individuo pode responder a um estímulo de maneiraantecipada. Do ponto de vista evolutivo, isso pode ser altamente vantajoso, pois issopossibilita avaliar consequências futuras de ações correntes, sem comprometer de algummodo a integridade do sistema no desempenho da ação.A evolução do sistema nervoso, sobretudo dos processos de memória, parece estarrelacionada com a idéia do desenvolvimento de sistemas seletivos capazes de lidar comdiferentes demandas ambientais que surgem ao longo vida do individuo. Tais demandassugerem a existência de diferentes sistemas de memória, que podem ser caracterizadoscomo especializações adaptativas que lidam com problemas específicos do animal no seuambiente. Eventualmente adaptações que servem para a resolução de um dado problema,podem não ser tão efetivas assim para outros problemas também presentes no ambiente.No entanto, o surgimento de diferentes sistemas de memória, com regras de operaçõesessencialmente diferentes, faz com que indivíduos possam lidar com uma grande variedadede problemas.Indivíduos capazes de identificar estímulos, prever o ambiente e gerar as“inferências” e respostas mais adequadas, se beneficiarão; estarão mais aptos paradeterminado ambiente. Portanto, a resolução de problemas e a emissão de comportamentosantecipatórios, ações essas baseadas em experiências anteriores, conferem ao repertóriocomportamental do organismo alto valor adaptativo. Uma vez que a emissão dedeterminados comportamentos diante de algumas situações traz ganhos adaptativos,parece razoável considerar que a memória seja um dos resultados de maior sucesso aolongo da evolução biológica.Suporte aos sistemas de memória
  • 149. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 141O funcionamento dos sistemas de memória implica no armazenamento de umaquantidade substancial de informações sobre o ambiente, sobre suas regularidades e sobreos efeitos de ações anteriores. Essas informações ficam inteiramente armazenadas nosistema nervoso do indivíduo. Assim, os sistemas de memória são claramente dependentesda estrutura e do funcionamento do sistema nervoso, que por sua vez, possui bilhões deneurônios, células nervosas capazes de conduzir impulsos elétricos e processarinformações. Além disso, as conexões entre os neurônios podem estar arranjadas dediversas maneiras para formar circuitos definidos. Levando em consideração taispossibilidades de combinação, é possível imaginar a complexidade dos substratos quearmazenam informações no sistema nervoso.Basicamente o processamento neuronal recebe a informação, avalia e passar o sinala outros neurônios. Uma mensagem passa de um neurônio para outro através de sinapses.Cada neurônio envia projeções para milhares de outros neurônios e, por sua vez, recebeprojeções de outros milhares de neurônios. Por essa projeções passam sinais que ativam osistema de diferentes maneiras. Quando muitos sinais sinápticos de entrada sãotransformados em um único sinal de saída, temos um processo de computação neural.Alguns desses sinais de saída podem provocar aumento da ativação de algumas vias e umadiminuição em outras, deste modo, sinais de entrada combinam-se de maneira a gerarinformações muito mais elaboradas do que uma simples somação de sinais. É nessemomento que ocorre modulação do processamento de informações.Conectadas aos neurônios, há células especializadas para a recepção deinformações ambientais (receptores sensoriais), que transformam diferentes formas deenergia (e.g. luz, som, odores etc.) em potenciais elétricos, isto é, estímulos de diversasnaturezas que se transformam em sinais elétricos, influenciando assim tanto a atividadeelétrica quanto a química dos neurônios. Essas informações sensoriais, sob a forma deimpulsos elétricos, são transmitidas por circuitos definidos do sistema nervoso, havendocircuitos neurais dedicados ao processamento preferencial de informações de cada uma dasmodalidades sensoriais, e outros circuitos responsáveis pela integração de informações dediferentes modalidades sensoriais.Aspectos fisiológicos da memóriaPressupõe-se que a atividade eletrofisiológica, gerada por atividade espontânea,estímulos ambientais e respostas a esses estímulos, desencadeie processos que levam àalteração da conectividade entre células nervosas, alterando a transmissão de impulsoselétricos por esses circuitos neurais. Todas essas modificações provocadas em elementosconstituintes do sistema nervoso caracterizam (representam) assim o armazenamento deinformações, as memórias. Uma decorrência lógica dessa suposição é que seja possível
  • 150. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 142 Julho/2010detectar a ocorrência de alterações bioquímicas associadas à alteração da conectividadenervosa relacionada ao processo de formação de memórias.O conhecimento atual sobre memória é resultado do trabalho de inúmerospersonagens. Gold e colaboradores (1970) expuseram ratos a uma câmara clara conectada,por uma porta tipo guilhotina, a uma câmara escura cujo assoalho é constituído de barrasmetálicas eletrificáveis. Os ratos rapidamente entram na câmara escura; após entraremnessa câmara, levam um choque nas patas. Em uma etapa de teste, realizada 24 horasdepois, os animais inseridos na câmara clara não entram na câmara escura (ver a barravermelha da Fig. 1). Animais de um grupo controle, que não receberam choque nas patasno dia anterior, entram rapidamente na câmara escura (ver barra verde da Fig. 1). Emexperimentos adicionais, depois do treinamento com choque nas patas, foram aplicadascorrentes elétricas no sistema nervoso dos animais com diferentes intervalos de tempo entreo choque na pata e o choque eletroconvulsivo (ver Fig. 1 - esquerda). Observa-se quequanto menor o intervalo de tempo entre o choque nas patas e o choque no sistemanervoso, maior é o prejuízo de memória aversiva sobre o ambiente escuro. À medida queesse intervalo de tempo aumenta, menor é o efeito, como se o choque eletroconvulsivoperdesse sua efetividade para evitar sua consolidação. (ver Fig. 1 – direita: barras de corlaranja).Figura 1 – Experimento de Gold e colaboradores (1970). A organização temporal dos eventos(esquerda) e os resultados (direita): o tempo que os ratos submetidos aos diferentes tratamentosdemoraram para entrar na câmara escura – quanto menor o intervalo de tempo entre o choque naspatas e o choque eletroconvulsivo menor é a lembrança do evento aversivo. Modificado de Pavão(2009), Xavier (2004) e Gold (1970).Outro experimento que trata de questões fisiológicas sobre a memória foi feito porShashoua (síntese publicada em 1985). O experimentador prendeu um flutuador nasnadadeiras peitorais de peixinhos dourados para fazer com que os animais ficassem emposição desconfortável. Após longo esforço de cerca de 3 horas, alguns peixes voltaram àposição normal, apesar do flutuador (Fig. 2, treino inicial representado pela curva verde). SeIntervalo de tempo entre choque naspatas e choque eletroconvulsivo (S).
  • 151. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 143o flutuador for removido e recolocado três dias depois, os animais realizam a tarefa maisrapidamente; i.e., os peixes retornam à posição normal em apenas 15 minutos, o que indicaque eles aprenderam e retiveram a solução desse desafio (Fig. 2, curva azul) (para detalhessobre esses experimentos, ver Helene e Xavier, 2007). Em outro teste, Shashoua (1985)injetou valina marcada com hidrogênio radioativo (valina-H*) no ventrículo encefálico deanimais que ficaram por 4h com o flutuador, e valina marcada com carbono radioativo(valina-C*) no ventrículo de animais que não foram treinados. Os encéfalos dos animais dosdois grupos foram homogeneizados conjuntamente e as proteínas foram separadas porpeso molecular. A maioria das proteínas presentes estava marcada tanto com valina-H*quando com valina-C*; porém, algumas delas estavam mais marcadas com valina-H*,indicando que elas foram incorporadas no cérebro dos animais que aprenderam a tarefa;essas proteínas foram denominadas ependiminas. Num terceiro teste, as ependiminasforam isoladas e injetadas em coelhos para produção de anticorpos específicos contra asependiminas. Então, os anticorpos foram injetados no ventrículo encefálico de peixes quetinham acabado de aprender a tarefa de nadar com o flutuador; no teste de memóriarealizado 3 dias depois, esses peixes demoraram cerca de 3h para voltar à posição normal(Fig. 2, curva vermelha). Ou seja, esses animais comportaram-se como se nunca tivessemsido submetidos ao treinamento. Atualmente, as ependiminas são denominadas “moléculasde adesão celular” e estão diretamente relacionadas com o fortalecimento e formação desinapses.Figura 2 – Experimentos de Shashoua (1985) envolvendo aprendizagem em peixes dourados.Flutuadores foram presos aos animais, que em ficavam em posição desconfortável (esquerda,acima). com treino de cerca de 180 minutos, ficavam em posição confortável (esquerda, abaixo) –curva verde. Em segundo momento, 3 dias depois, os flutuadores foram recolocados, e os animaisdemoraram cerca de 15 minutos para ficar na posição confortável, indicando que aprenderam essahabilidade – curva azul. Animais treinados tratados com anticorpos para proteínas envolvidas com aalteração de circuitos neurais apresentam desempenho similar a animais não tratados – os traços dememória foram apagados pelo tratamento. Modificado de Pavão (2009), Xavier (2004) e Shashoua(1985).Em conjunto, os resultados obtidos a partir de experimentos envolvendo choqueseletroconvulsivos e síntese de proteínas sugerem que há dois processos envolvidos na
  • 152. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 144 Julho/2010manutenção da memória. Um deles, mais instável, é prejudicado pelo choque eletro-convulsivo, estando relacionado ao padrão de atividade eletrofisiológica dos neurônios(frequência de disparos, por exemplo). O outro, associado com produção de proteínas,parece envolver alterações estruturais nas sinapses, gerando circuitos alterados no sistemanervoso.Posteriormente ao experimento de Shashoua, muitos trabalhos com proteínasassociadas aos processos de arquivamento de informação ao nível celular vêm sendodesenvolvidos. Muitas moléculas subjacentes à formação de memória já foram descobertas.Isso tem trazido importantes informações acerca das diferentes etapas e modalidades doprocesso de formação de memórias em nível celular, inclusive o envolvimento dessasproteínas na alteração plástica do sistema nervoso.Plasticidade neuralO sistema nervoso possui a capacidade de se modificar estruturalmente efuncionalmente em decorrência de estímulos que de algum modo incidem sobre ele. Talfenômeno denomina-se neuroplasticidade ou, simplesmente, plasticidade. Inerente aofuncionamento do sistema nervoso, a neuroplasticidade é uma característica marcante econstante da função neural. Muito dos processos cognitivos depende de tal propriedade.Parece haver dois tipos básicos de plasticidade sináptica, uma de curta duração e aoutra de longa duração. A plasticidade sináptica de curta duração pode ser induzidarapidamente; parece não requerer síntese proteica e mantém-se por, no máximo, algumashoras. Esse tipo de plasticidade reflete alterações na força de sinapses pré-existentes, pelamodificação de proteínas pré e pós-sinápticas. Diferentemente, a plasticidade sináptica delonga duração (que parece ter sido a modalidade principal investigada nos estudos deShashoua) dura dias, meses ou anos, envolve processos de transcrição gênica e síntese denovas proteínas; esse tipo de plasticidade sináptica parece envolver a remodelação desinapses existentes ou a formação de novas sinapses.Com base nessas e em outras características do sistema nervoso apresentadas atéaqui, percebe-se que além de aumentar a capacidade de comunicação entre as diversaspopulações de neurônios, sua estrutura e funcionamento possibilitam a formação dememórias em decorrência de experiências vividas. As diferentes modalidades dearquivamento parecem envolver alguns tipos de alterações no sistema: (1) alteraçõestransitórias na atividade eletrofisiológica (taxa de disparos) de populações de neurônios, queestariam ligadas ao arquivamento por curtos períodos de tempo; (2) alteração na facilidadecom que a atividade eletrofisiológica é transmitida entre neurônios, relacionada com oarquivamento por períodos intermediários de tempo (que pode durar de minutos até meses);(3) alterações estruturais permanentes na conectividade neuronal que levam à formação de
  • 153. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 145circuitos neurais, ou redes nervosas, cuja atividade representaria informações mantidas porum longo período de tempo, anos ou até mesmo uma vida inteira.Aquisição e manutenção da memóriaDonald Hebb (1949) baseou-se na plasticidade sináptica para afirmar que atransmissão de informações entre dois neurônios deveria ser facilitada e tornar-se estávelquando ocorresse sincronia entre os disparos do primeiro e do segundo neurônio. Sendoassim, a transmissão de mensagens entre os neurônios poderia ser regulada: não seria umfenômeno rígido e imutável, mas sim algo modulável de acordo com as circunstâncias.Um importante elemento descrito inicialmente no hipocampo que atua na alteraçãode sinapses (portanto, na formação de memórias) é o fenômeno denominado potenciaçãode longa duração (LTP). Aparentemente, o hipocampo (e outras estruturas do lobo temporalmedial) está envolvido em um processo de ativação repetitiva de circuitos envolvidos narepresentação da informação que determina alteração estrutural desses circuitos. Em outraspalavras, estimulações breves e de alta freqüência em uma via excitatória que vai aohipocampo produz um aumento de longa duração na intensidade das sinapses estimuladas.Trata-se de uma plasticidade sináptica específica que ocorre entre um neurônio pré e umneurônio pós-sináptico, assim como Hebb havia proposto. Acredita-se que a LTP seja umimportante mecanismo envolvido no armazenamento de informações cuja natureza éessencialmente associativa. Tal mecanismo pode envolver a interação entre diferentessinapses de um mesmo neurônio, permitindo que uma sinapse fraca se fortaleça pelodisparo concomitante com uma sinapse forte, tornando-as associadas. Sendo assim, a LTPé fundamental para o arquivamento de informações sobre eventos experienciados, pois gerauma facilitação na comunicação sináptica. Esse processo parece essencial para a retençãode informações sobre “o que” ocorreu, mas não sobre “como” desempenhar uma tarefaperceptomotora.Com o aumento na frequência de disparos das sinapses produzidas em decorrênciade estímulos ambientais, ocorrem alterações na eficiência sináptica dos neurôniosrecrutados, de maneira a intensificar a comunicação dessas células. Uma vez que acomunicação sináptica seja facilitada, qualquer referência ao estímulo inicial já causa umdisparo das células envolvidas. Com estímulos muito pequenos pode-se desencadear umprocesso efetivo de ativação neural.Estímulos ambientais e experiências geram atividade eletrofisiológica em conjuntosde neurônios. Como vimos, essa atividade pode levar à formação de novas sinapses ou àalteração das sinapses já existentes, o que permite estabelecer circuitos neurais envolvendopopulações de neurônios cuja atividade, correspondente àquela gerada durante aexperiência original, representa a experiência adquirida.
  • 154. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 146 Julho/2010A recordação de informações representadas internamente se dá pela ativaçãoeletrofisiológica de populações de neurônios corticais. Isso decorre tanto estímulos que dealguma forma estão relacionados à experiência original, como por um ato de vontade pararecordar aquela experiência. É curioso notar que os sistemas de memória permitemidentificar estímulos muito específicos e responder a eles, mesmo quando estes não sãoapresentados em sua totalidade. Uma vez ativos, esses circuitos podem estabelecer novasconexões com outros circuitos ativos, ou contar com a adição de novos elementos emdecorrência de novas experiências.Quanto mais frequentes as exposições a estímulos relevantes, mais fortes tornam-seas conexões. Como consequência, a informação tende a ser arquivada de maneirarelacional. Isso permite entender porque a recordação envolve, usualmente, categorias. Talfato ocorre porque o aumento de atividade eletrofisiológica em determinados circuitosneurais (que levam à recordação de uma dada informação) tende a estimular a atividade emcircuitos relacionados.É importante ressaltar que os mesmos circuitos neurais associados à atenção,percepção, ação e outros processos cognitivos, são os que se alteram para a formação dememórias de diferentes tipos. Isso significa que, quando esses circuitos foremposteriormente mobilizados, o processamento das informações será diferente em relação àsexperiências anteriores, dado que o circuito vem sendo alterado a cada uma delas. Assimsendo, a percepção e as habilidades se alteram ao longo da história de vida. Além disso,estão profundamente associadas com os processos de memória.Redes neurais e memóriaPraticamente todas as regiões do sistema nervoso estão envolvidas de algumaforma no arquivamento de memórias de um tipo ou de outro. Em primatas, costuma-seatribuir uma grande importância ao neocórtex (a porção filogeneticamente mais recente docórtex) no arquivamento de informações. Esse tecido envolve sistemas de processamentomodalmente específicos e sistemas de integração de informações de diferentesmodalidades (denominados polimodais e supramodais).A maioria das experiências humanas inclui diferentes modalidades sensoriais,organizadas no tempo e espaço. Por exemplo: a partir de uma estimulação perceptualespecífica, o sistema nervoso mobilizaria um grupo de neurônios para representar o evento,por meio de sua atividade e conexões, produzindo uma espécie de "rede" de interconexõesque se mantém em contínua reconstrução ao longo da vida. A formação de uma memóriasobre esse evento envolveria o fortalecimento das conexões entre as células dedicadas aessa percepção, resultando num grupamento celular cujas conexões seriam mais eficientes.Depois do desaparecimento do estímulo gerador da atividade, "nós" da rede, quando
  • 155. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 147ativados, excitariam ou inibiriam outros nós numa rica e complexa rede de conexões, deforma que representações seriam mantidas enquanto houvesse reverberação da atividadenervosa correspondente ao estímulo inicial.Nessa rede, uma dada população de nós disparando, provavelmente com níveis deatividade diferentes em várias regiões nervosas, representa uma determinada informação,enquanto a malha representa as ligações associativas das relações entre os nós; essasligações podem variar em intensidade. Nesse sentido, um mesmo nó pode estar envolvidoem representações distintas, já que a informação é representada pelo conjunto de disparosdos nós a ela relacionados e não por um nó individual. Isso nos sugere que processos dememória estariam baseados em um funcionamento sistêmico de determinadas populaçõesde neurônios.Hebb (1949) propõe algumas previsões sobre o funcionamento da memória. Porexemplo, parece plausível pensar que estimulações parciais correspondentes à experiênciaoriginal sejam capazes de regenerar a atividade em toda a rede, contribuindo para alembrança completa da experiência original. Além disso, se dois eventos forem pareados notempo supõe-se que haja a formação de redes tais que a estimulação da atividade doprimeiro evento gera o padrão de atividade eletrofisiológica associada ao segundo evento,levando à sua previsão.Figura 3 - Esquema representativo de redes neurais de Hebb. Os pontos pretos são os neurônios eas linhas são as conexões. A rede tem uma organização inicial como representado em (A); aoreceber um estímulo, é ativada (B); esse estímulo pode ser apresentado repetidas vezes, ou pode terreverberado nessa rede, de modo que as conexões entre os neurônios são fortalecidas (C e D);então, um estímulo mais fraco ou mesmo incompleto, mas que mantenha algumas das característicasdo inicial (D) é capaz de ativar a rede fortalecida (E). Modificado de Bear, 2002, e de Helene e Xavier,2007.O autor sugere que haveria apenas três aspectos centrais que determinariam ofuncionamento de um sistema neuronal: (1) a conexão entre neurônios é mais eficaz quantomaior for o grau de relação entre as porções pré e pós-sináptica; (2) grupos de neurôniosque tendem a disparar conjuntamente irão formar agrupamentos celulares cuja atividade semantém expressa mesmo após o fim do estímulo que gerou a atividade e; (3) cogniçãoderiva da atividade sequencial destes agrupamentos celulares facilitados.
  • 156. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 148 Julho/2010Modularidade e os diferentes processos de memóriaA noção de que os sistemas de memória compõem um conjunto de habilidadesmediadas por diferentes módulos do sistema nervoso, que funcionam de formaindependente, porém cooperativa, parece atualmente bem difundida. Essa idéia parte dopressuposto de que a organização cognitiva se dá de forma modular, representada porsistemas paralelos de processamento de diferentes informações. Este conceito demodularidade de funções tem embasado investigações acerca dos processos de memória.Segundo essa ideia, o processamento de informações nesses módulos acontece de formaparalela e distribuída, possibilitando que um grande número de unidades de processamentoinfluencie outras em qualquer momento no tempo, e que grande quantidade de informaçõesseja processada concomitantemente.Muitas das evidências relevantes para o desenvolvimento de modelos de memória -correlações entre funções e módulos do sistema nervoso – derivaram de correlatosanatomofuncionais, isto é, estudos envolvendo dificuldades de memória em pacientes comdanos cerebrais identificáveis. A partir de então foi possível chegar a definições de memóriae modelos baseados na dupla dissociação entre memória de curta e longa duração.Inclusive os conceitos de dissociações entre os sistemas particulares da memória de longaduração foram também amplamente desenvolvidos.Um estudo que muito contribuiu para o desenvolvimento e formalização dos modelosde memória foi o caso do paciente H.M., descrito por Scoville e Milner (1957). Na ocasião, opaciente sofria de epilepsia intratável. O foco epiléptico, que se situava no lobo temporalmedial (bilateralmente), foi removido cirurgicamente; isso resultou na remoção dos 2/3anteriores do hipocampo e da amígdala, além de outras porções corticais. Após a remoçãodas estruturas, H.M. apresentou um quadro de amnésia anterógrada (era incapaz de formarnovas memórias) e também retrógrada (eventos ocorridos pouco antes da cirurgia); porém,neste último caso a amnésia era temporalmente graduada. O prejuízo cognitivo de H.M.estava restrito à aquisição de memórias de longa duração; suas capacidades perceptuais semantiveram, assim como seu QI, sua personalidade e a memória de curta duração.Mesmo apresentando alguns prejuízos de memória, H.M. ainda conseguia adquirir ereter diversas informações. Por exemplo, aprendeu a ler palavras invertidas, como seapresentadas por meio de um espelho e também novas habilidades motoras e cognitivas(ver Helene e Xavier, 2007). O paciente apresentava um bom desempenho nessas tarefas.Curiosamente, quando consultado sobre seu treinamento prévio, ele alegava nunca ter feitoisso.Como dito anteriormente, o hipocampo atua em um processo de ativação repetitivade circuitos envolvidos na representação da informação, uma espécie de reverberação da
  • 157. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 149atividade neural que resulta no arquivamento de informação. Essa reverberação seriaessencial para o arquivamento das informações sobre “o que” ocorreu, mas não sobre“como” desempenhar uma tarefa perceptomotora. Trazendo esse conceito para o caso dopaciente H.M, pode-se dizer que, embora o paciente seja capaz de adquirir uma habilidademotora, ele não é capaz de se recordar “que” já a praticou. Em suma, a natureza dainformação “saber que” é diferente da natureza da informação sobre “saber como” (verHelene e Xavier, 2007).Curiosamente, pacientes com doença de Parkinson (caracterizada por disfunçõesem estruturas nervosas denominadas gânglios da base) possuem um quadro oposto ao dosamnésicos (que, como visto, têm lesão no lobo temporal medial). Os pacientes comdisfunções nos gânglios da base exibem dificuldades na aquisição de habilidades motoras ecognitivas, ao mesmo tempo em que são perfeitamente capazes de descrever verbalmenteas experiências vivenciadas nessas situações de teste. Neste contexto, pacientesparkinsonianos exibem, por exemplo, prejuízo na aprendizagem da habilidade de leitura depalavras invertidas.Duplas dissociações, caracterizadas pelo prejuízo de desempenho em algumastarefas concomitantemente ao desempenho normal em outras tarefas, são apontadas comoevidência da existência de sistemas de memória distintos no sistema nervoso. Resultadosde estudos como do paciente H.M. e pacientes parkinsonianos sugerem a existência demódulos de memória cujo funcionamento seria relativamente independente, embora possamcooperar entre si.Modelos de memóriaBaseados em estudos envolvendo duplas dissociações, Cohen (1984) e Squire eZola-Morgan (1991) propuseram uma distinção para os sistemas de memória de longaduração segundo a qual haveria uma memória declarativa (ou explícita), usualmenteprejudicada em pacientes amnésicos e preservada em pacientes cerebelares ou comdisfunções nos gânglios da base, e uma memória de procedimentos (ou implícita),usualmente preservada nos pacientes amnésicos, mas prejudicada nos pacientescerebelares ou com danos nos gânglios da base (Fig. 4). Em outras palavras, memórias queatualmente são denominadas memórias implícitas correspondem ao “saber como” (o que fazbastante sentido, pois é muito difícil declarar como se anda de bicicleta) e “saber que” sãodenominadas memórias explícitas.
  • 158. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 150 Julho/2010Figura 4 – Esquema da dupla-dissociação entre funções e áreas envolvendo os sistemasde memória de longa duração. (modificado de Helene e Xavier, 2007).Memória de longa duraçãoA memória de longa duração se refere à retenção de informações por prolongadosperíodos de tempo. Sendo assim, ela pode ser dividida em dois tipos (ou módulos): memóriaexplícita e memória implícita (Fig. 5). Tanto no caso das memórias explícitas como no casodas implícitas, o arquivamento de informações envolveria alterações sinápticas, como jádescritas; porém, em cada caso, elas ocorreriam em diferentes regiões do sistema nervosocom diferentes regras de funcionamento.A memória explícita (ou declarativa) caracteriza a retenção de experiências sobrefatos e eventos passados e é passível de relato verbal, ou seja, possui um acessoconsciente. Além disso, o arquivamento de informações pode se dar por associaçõesarbitrárias que podem formar-se mesmo após uma única experiência.A memória implícita (ou de procedimentos) se expressa pelo desempenho habilidosodas atividades previamente treinadas. Sua aquisição é gradual e dependente de treino,ocorre de forma cumulativa. O conhecimento contido neste tipo de memória manifesta-sepela ativação das estruturas nervosas envolvidas no processo de aquisição.MEMÓRIA DELONGOPRAZOSABER QUESABERCOMOPaciente H.M - amnésicoPREJUÍZOPaciente H.M - amnésicoPRESERVADOPaciente c/ doença deParkinson - PRESERVADOPaciente c/ doença deParkinson - PREJUÍZOÍ
  • 159. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 151Figura 5 - Taxonomia dos sistemas de memória de longa duração.Modificado de Helene e Xavier, 2007.Memória operacionalBaddeley e Hitch (1974) conceberam um modelo de memória denominado "memóriaoperacional". Tal modelo refere-se a um arquivamento temporário e gerenciamento deinformações para o desempenho de uma diversidade de tarefas cognitivas. Segundo osautores, memória operacional compreende um sistema de controle de atenção, a centralexecutiva, auxiliado por dois sistemas de suporte responsáveis pelo arquivamentotemporário e manipulação de informações, um de natureza vísuo-espacial e outro denatureza fonológica.Posteriormente, para lidar com a associação entre as informações mantidas nessessistemas de apoio e promover sua integração com informações da memória de longaduração, Baddeley inseriu um quarto componente no modelo, denominado de retentorepisódico, que corresponderia a um sistema de capacidade limitada no qual a informaçãoevocada da memória declarativa tornar-se-ia consciente. A central executiva proporcionariaa conexão entre os sistemas de suporte e a memória de longa duração e seria oresponsável pela seleção de estratégias e planos; sua atividade estaria relacionada aofuncionamento do lobo frontal, que teria a função de supervisionar informações a seremcodificadas, armazenadas e evocadas concomitantemente ao seu ingresso no sistema (Fig.6).
  • 160. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 152 Julho/2010Figura 6 - Modelo de memória operacional: três componentes propostos inicialmente por Baddeley eHitch (1974). A área central executiva se refere ao componente de gerencia-mento atencional (acentral executiva), enquanto as áreas laterais da figura representam as alças de manutenção deinformações por curto período de tempo (adaptado de Baddeley, 1982).Ainda sim, a memória operacional estaria ligada ao desempenho de uma grandevariedade de funções cognitivas, incluindo raciocínio lógico, resolução de problemas,imagética (relacionado ao treinamento imaginativo) e compreensão de linguagem.Considerações finaisEm conclusão, a evolução filogenética teria atuado na seleção de sistemas neuraiscapazes de modificar-se gradualmente pelo desempenho de ações repetitivas (o exemplomais típico seria o caso de habilidades motoras e perceptuais) de sistemas capazes dearquivar informações depois de uma única experiência, e de sistemas capazes de reterinformações temporariamente, enquanto úteis. É provável que a seleção desses sistemas,com propriedades distintas, esteja relacionada ao fato de que memórias são especializaçõesadaptativas que proporcionam vantagens seletivas para a solução de determinados tipos deproblema; as propriedades que tornam um sistema eficiente para a solução de determinadostipos de problema (e.g., aquisição após uma única experiência de treino) o tornamincompatíveis com a solução de um problema de natureza diversa (e.g., aquisição deconhecimento pela mudança cumulativa e gradual de experiências). Assim, do ponto devista evolutivo, a organização do sistema nervoso, inclusive dos diferentes módulos dememória, teria derivado da interação do organismo com demandas ambientais específicas,resultando em especializações adaptativas que permitem ao organismo lidar com problemasespecíficos.
  • 161. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 153Navegação EspacialCyrus Villas-BoasLaboratório de Neurociência e Comportamentocyrusvb@gmail.comO debate sobre o hipocampoO hipocampo é uma das estruturas cerebrais mais estudadas na Neurociência.Ramón y Cajal (1968) data seus estudos como tendo começado em 1888 e cita os estudosde Schaffer em 1892 como tendo sido um marco em sua vida científica.Anatomicamente organizado em camadas, o hipocampo é claramente identificávelcomo sendo diferente do córtex (Ramón y Cajal, 1968; Witter e col., 1989) (Fig. 1).Figura 1 – corte coronal do encéfalo de rato corado com cresil violeta, mostrando o giro denteado(DG) e o hipocampo (CA1 e CA3). Adaptado de Paxinos e Watson (2004).No rato, o hipocampo se localiza logo abaixo do córtex parietal, o que torna sua partedorsal facilmente acessível por eletrodos e cânulas de infusão de drogas. Dois aspectoschave levaram o hipocampo a ser uma das estruturas mais estudadas da Neurociência:1. Em ratos. Quando o animal se move livremente, as células piramidais dohipocampo apresentam uma correlação com o local em que o animal se encontra (O’Keefe eDostrovsky, 1971). Essas células são chamadas de células de localização (place cells) eapresentam atividade em uma parte específica do ambiente, como veremos a seguir emdetalhes. Centenas, se não milhares de experimentos, já analisaram a influência dediversos tipos de manipulações nas place cells.2. Em primatas. Lesões do hipocampo e áreas corticais adjacentes em primatas(particularmente em humanos) causam uma profunda amnésia anterógrada, ou seja, aperda da capacidade de formar novas memórias a partir do momento em que houve a lesão
  • 162. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 154 Julho/2010(Scoville e Milner, 1957; Cohen e Eichenbaum, 1993). Entre os anos de 1953, quando fezuma operação experimental no lobo temporal, e 2008, ano de sua morte, o paciente H.M.não conseguia se lembrar (formar memórias do tipo declarativa) de nada o que haviaacontecido, nem mesmo dos nomes dos médicos que encontrava diariamente (Cohen eEichenbaum, 1993).Cada um desses efeitos observados no hipocampo vieram a formar uma teoria: (1)que o hipocampo guarda um mapa cognitivo do ambiente utilizado para navegação (O’Keefee Nadel, 1978) (Fig. 2), e (2) que o hipocampo guarda memórias de eventos (do tipoepisódicas) temporariamente até seu armazenamento no córtex (Cohen e Eichenbaum,1993).Figura 2. – Esquema de representação do mapa cognitivo no rato. Adaptado de Eichenbaum (1999).Tipos de navegaçãoVamos começar nossa discussão sobre navegação espacial com a tarefa maistradicional: o labirinto aquático de Morris (1981) (Fig. 3). Esse teste consiste de uma piscinacheia de água morna misturada com leite ou outra substância que torne a água opaca. Emalgum lugar da piscina há uma plataforma na qual o rato pode subir para sair da água. Hávárias versões desse teste, que incluem a plataforma visível ou, outras vezes, com umapista que indica onde a plataforma está. Devido à sua simplicidade, esse teste é uma dasferramentas mais utilizadas para estudos de navegação e memória espacial. O labirinto deMorris é usado, entre outros, para estudos de lesões, infusões de drogas ou, em outrasvezes, versões modificadas são utilizadas para o registro unitário da atividade neuronal deplace cells, como veremos mais adiante.
  • 163. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 155Figura 3 – Labirinto aquático de Morris. O círculo indica a plataforma escondida ou não. O gráficomostra o tempo despendido no labirinto para que o animal encontre a plataforma. O teste probe-memory não contém plataforma e o probe-sensorimotor é um teste de habilidade motora. Adaptadode Rodriguiz e Wetsel (2006).Há cinco possíveis estratégias que o animal pode utilizar para navegar no ambientee, nesse caso, encontrar a plataforma escondida (O’Keefe e Nadel, 1978; Whishaw eMittleman, 1986). São elas: Navegação randômica. Se o animal não tem informação prévia de onde aplataforma está, ele deve explorar o ambiente de forma randômica, aleatória. Navegação táxica. O animal pode achar uma pista em uma direção na qualpossa sempre nadar. Navegação práxica. O animal pode executar um programa motor constante. Se,por exemplo, o animal inicia cada tentativa no mesmo local e a patforma tambémestá no mesmo local, ele pode simplesmente utilizar-se desse tipo de navegaçãopara chegar à plataforma. Navegação por rota. O animal pode aprender a associar uma direção a umapista encontrada. Diz-se que a navegação por rota é uma junção dasnavegações táxica e práxica. Navegação por local. O animal pode aprender a localização da plataformabaseado em um conjunto de pistas. Ele pode aprender um mapa no qual alocalização da plataforma é conhecida.
  • 164. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 156 Julho/2010Outros modelos foram propostos, porém são todos parecidos no que diz respeito àsfunções dos sistemas, ou seja, alguns modelos são simplesmente a fusão de dois ou maistipos de navegação supracitados.Gallistel (1990) propõe um modelo no qual dois componentes são utilizados para queo animal se localize no ambiente: Piloting e Dead Reckoning. O piloting é um processo peloqual o animal determina sua posição através de pistas externas, enquanto o dead reckoningé um mecanismo que utiliza pistas internas, como direção de movimento e velocidade, paraatualizar a representação de acordo com essas pistas. Dessa forma, esse sistema permiteque sejam usadas pistas internas e externas. Pistas externas são identificadas e usadaspara traçar um mapa de acordo com algum conhecimento do ambiente, porém semperceber a posição; as pistas internas permitem que o animal calcule sua posição em umtempo t de acordo com uma posição conhecida em t-to sem precisar de conhecimento sobreo ambiente.Qual é o papel do hipocampo na navegação espacial?Para navegar em um ambiente familiar, o animal deve usar uma representaçãoconsistente da posição de tempos em tempos. Para tanto, há um mecanismo fisiológico queé capaz de, utilizando-se das pistas externas e internas, gerar um mapa coerente doambiente no qual o animal se encontra. As evidências sugerem que as place cells nohipocampo são muito bem adaptadas para lidar com esse tipo de informação.Potenciais de ação disparados por células piramidais do CA3 e CA1 do hipocampo,além de células do giro denteado e córtex entorrinal mostram que há atividade fisiológicarelacionada ao local em que o animal se encontra em determinado ambiente. Os locais ondeas place cells apresentam atividade são chamados de place fields (Fig. 4).Estudos em humanos mostram que o fluxo sanguíneo aumenta no hipocampodurante uma tarefa de localização espacial, tanto no ambiente real como em ambientevirtual (Ghaem e col., 1997; Maguire e col. 1998) e que lesões nessa região causam déficitsevero em tarefas de navegação, possivelmente devido à perda extensiva de place cells.Essas células foram extensivamente estudadas em ratos (Olton et. al, 1978;McNaughton e col., 1983; Eichenbaum e col., 1990; Wiener, 1996) e foram tambémencontradas em macacos (Ono e col., 1993; Nishijo e col. 1997; Matsumura e col., 1999) ehumanos (Ekstrom e col., 1994). Devido à grande correlação entre as taxas de disparo dasplace cells e as variáveis espaciais, diversos trabalhos foram feitos com a finalidade deexplorar como essas mudanças podem interferir na atividade dessas células.
  • 165. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 157Figura 4 – Em cima, atividade neuronal em spikes/s de uma place cell enquanto um macaco semovimenta num espaço virtual. VR(W), VR e VR(N) são diferentes tamanhos de ambientes similares.VR(W) e VR têm pistas distais iguais, porém em posições diferentes. VR(N) é um ambiente similar aVR, porem com menor tamanho. mesmas posições. Embaixo, as rotas que os animais faziam parapassar pelos pontos demarcados. Adaptado de Hori e col. (2005).As propriedades principais das place cells são: Quando as pistas distais são movidas, place fields também se movemproporcionalmente (Hori e col. 2005). Continuam a mostrar claros place fields quando uma pista é removida (Hori e col.,2005; Furuya e col., 2007). Continuam a mostrar place fields menores no escuro (Markus e col., 1994). Apresentam diferentes place fields em diferentes ambientes (Hori e col., 2005;Furuya e col., 2007) (Fig. 4, Fig. 5). Apresentam direcionalidade quando o animal navega em espaços pequenos econhecidos, mas são não-direcionais quando o animal navega randomicamente.Estudos mais recentes realizados com macacos mostram que, apesar de estruturashomólogas não terem necessariamente as mesmas propriedades em diferentes espécies,no caso do hipocampo parece haver alguma similaridade nas funções relacionadas ànavegação. No entanto, os estudos com place cells em macacos são geralmente realizadosquando o animal se encontra preso a uma cadeira para macacos e, dessa forma, imóveis(Hori e col., 2005; Furuya e col., 2007). Em outros estudos, o animal é colocado em umaSpikes/s
  • 166. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 158 Julho/2010cadeira móvel (Ono e col., 1991), mas muitas vezes esse paradigma é substituído por umaforma de navegação espacial virtual similar a um water maze, no qual o animal controla umjoystick para se movimentar no ambiente (Furuya e col., 2007). Nesse paradigma, noentanto, são as pistas que se movem em relação ao animal, e não o contrario. Porém,mesmo nesses experimentos pode-se ver uma clara atividade diferencial das place cells deacordo com o local em que o animal se encontra no ambiente virtual.Maguire e col. (2000) estudaram as propriedades espaciais do hipocampo emtaxistas em Londres. Foi verificado que os taxistas, em relação ao grupo controle de não-taxistas, apresentavam maior atividade no hipocampo, além de uma parte posterioraumentada em relação à do grupo controle.Figura 5 – Atividade neuronal diferencial em 3 ambientes diferentes, porém com característicassimilares. Em A., as pistas distais estão localizadas mais afastadas de onde o animal se movimenta.Em B., as pistas encontram-se próximas e em C., o ambiente todo é reduzido, mantendo-se asproporções de B. Adaptado de Hori e col. (2005).Outros sistemas de navegação espacialAlém do hipocampo, há outros sistemas que parecem influenciar no processo denavegação espacial, tanto em ratos, quanto em primatas. Ambos os animais utilizam-se demúltiplos mapas simultaneamente para se localizarem. No entanto, esses sistemas nãoparecem ser suficientes para que haja uma navegação eficaz.Head direction cellsUm dos sistemas que pode auxiliar a navegação é o de direção da cabeça (headdirection system). Células com suas taxas de disparo refletindo a direção da cabeça foramdescobertas em diversas estruturas do encéfalo do rato: pós-subículo (PoS; Ranck, 1984),núcleo anterior talâmico (ATN; Taube, 1995), núcleo mamilar lateral (LMN; Leonhard e col.,1996), núcleo lateral dorsal do tálamo (LDN; Mizumori e Wiliams, 1993) e, em menor
  • 167. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 159quantidade, nos córtices parietal posterior e cingulado (PPC e PCC; McNaughton e col.,1994).As head direction cells apresentam uma única direção preferida de ativação, na qualsua atividade é máxima, diminuindo à medida em que o animal move a cabeçaprogressivamente para longe desse ponto. As taxas de disparo dessas células não sãocorrelacionadas ao ângulo entre a cabeça e o corpo, mas sim à orientação da cabeça emrelação ao ambiente. Como a direção preferida de ativação não se altera, a célula não podecodificar informações egocêntricas em relação a uma pista, mas sim informaçõesalocêntricas em relação a uma direção de referência. As head direction cells geralmente sãosensíveis à rotação de pistas distais (Taube, 1995), evidenciado pela alteração simultâneade duas ou mais células registradas simultaneamente.Alguns autores propõem uma forma de se interpretar as head direction cells comoestando dispostas em um círculo, ou seja, em um arranjo de 360º. Cada região, ou cadapopulação de células, agiria de forma a integrar a informação advinda das head directioncells vizinhas, sendo, dessa forma, esquematizadas em um anel de ativações. Esse sistemaseria auxiliado por células intermediárias que recebem informações do sistema vestibular(Fig. 6).Muitas das áreas que contêm as head direction cells estão anatomicamenteconectadas. O núcleo anterior dorsal do tálamo (AD) e o PoS estão diretamente conectados;PoS envia uma projeção ao LMN, que, por sua vez, se projeta para o AD. O LDN também seconecta com o PoS. O PPC recebe projeções do LDN e manda projeções para o PoS e parao córtex cingulado, enquanto o PCC se conecta diretamente com o ATN e PoS.Grid cellsComo uma interface entre o hipocampo e o neocórtex, o córtex entorrinal apresentatambém alguma atividade relacionada a memória e a localização. Estudos recentesmostram que o córtex entorrinal medial também apresenta neurônios com atividaderelacionada a posicionamento (Fyhn e col., 2004). Essas células, denominadas grid cells,são assim chamadas por apresentarem um padrão de ativação independente de pistas doambiente. Sua ativação se dá em diversos lugares do mesmo ambiente, diferentemente dasplace cells, seguindo um padrão triangular, ou seja, a célula dispara quando a posição doanimal coincide com vértices de um grid triangular periódico que cobre toda a superfície doambiente, com células diferentes tendo coordenadas de ativação diferentes ao longo do grid(McNaughton e col., 2006).
  • 168. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 160 Julho/2010Figura 6 – Modelo unidimensional de integração de sinal de acordo com a direção da cabeça do ratoe a sua velocidade angular. a. Head direction cells arranjadas em círculo, para fins didáticos, deacordo com sua posição preferencial de disparo. Cada célula se conecta com as adjacentes. Ainfluência de uma célua sobre a outra decresce como uma função da distância (linhas vermelhas ecinza), cores quentes representando maior taxa de disparos. b. A rotação nos sentidos horário ouanti-horário pode ser detectada por um grupo intermediário de células que recebe informaçõestantodo sistema vestibular quanto da orientação da cabeça por células imediatamente superiores aelas. Na ausência de movimento, as células das outras camadas estariam com ativação abaixo dolimiar. Adaptado de McNaughton e col, 2006.Figura 7 - Modelo de integração de rotas. Adaptado de McNaughton e col. (2006).
  • 169. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 161O sistema de grid cells, por ser menos específico do que o sistema de place cells, étido como uma etapa anteiror à formação dos place fields no hipocampo propriamente dito,como se a informação final fosse passada ao hipocampo para a representação do ambiente.Dessa forma, acredita-se que o córtex entorrinal medial seja, junto com o sistema de headdirection, um dos componentes principais para o processo de integração de rotas (deadreckoning), que é definida como a habilidade de retornar a um local de origem mesmo apóster feito um caminho tortuoso ou mesmo no escuro (Redish, 1997) (Fig. 7). Esse sistemanão depende do uso de pistas externas do ambiente. No entanto, sabe-se que esse sistemaacumula erros e imprecisões durante uma trajetória feita do escuro ou sob baixas condiçõesde visibilidade. Os vários componentes desse sistema seriam utilizados para atualizar essascoordenadas antes de passar a informação para o hipocampo, onde a integração eutilização de pistas distais seria utilizada (Einevol e col., 2006) (Fig. 8).A importância evolutiva da memória episódica e da navegação espacialComo vimos, é muito difícil, ou quase impossível, dissociar navegação espacial dememória episódica, sendo a primeira apenas uma parte da segunda. Os resultados dessesestudos mostram que o hipocampo deve ter uma função importante na formação dememórias do tipo episódica. A codificação de informações a respeito de lugares, certamenteessencial para os processos evolutivos dos animais, é muito bem atribuída ao hipocamponos vertebrados. Outra importante função atribuída a essa estrutura é a de codificarinformação de como se chegar a lugares desejados, essencial para vários processos comobusca de alimento, encontro de parceiros sexuais, localização dos melhores abrigos, etc. Damesma forma, o conhecimento, ou a memória, de melhores épocas do ano para migração,onde se proteger do frio no inverno ou onde conseguir alimento nas estações que oprecedem, em qual flor ou em qual horário conseguir mais néctar, entre outras questõesadaptativas, são relacionadas ao hipocampo através dos processos de formação dememória episódica.
  • 170. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 162 Julho/2010Figura 8 – Modelo para a formação de place fields. (A) conexão entre grid cells do córtex entorrinalmedial e place cells do hipocampo. Todas as place cells que contém um place field naquele ambienterecebem informação das grid cells com ativação similar. Place cells com campos de ativaçãomenores (verde) recebem projeções da parte dorsal do córtex entorrinal, enquanto place cells comcampos maiores (amarelo) são inervadas por células mais ventrais do cortex entorrinal.Interneurônios (vermelho) auxiliam na inibição e controle do sinal. As cores dentro dos place fieldssimbolizam as taxas de disparo. Cores quentes indicam altas taxas. (B) Os grids são construídos deacordo com três funções sinusóides com 120º de diferença entre eles. Adaptado de Einevoll (2006).
  • 171. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 163Neurobiologia das EmoçõesBárbara OnishiLaboratório de Neurociência e Comportamentoonishib@gmail.comO que é emoção?Medo, raiva, alegria, vergonha, tristeza e frustração são todos exemplos deemoções. De forma geral, emoção se refere a um estado mental associado a alteraçõesfisiológicas e comportamentais eliciado por um evento externo ou interno de significânciapara o organismo.Uma das primeiras teorias sobre as emoções foi a levantada pelo psicólogo WilliamJames em 1884, em um artigo intitulado O que é a Emoção?. James sustentou a idéia deque as emoções são o resultado da percepção das alterações fisiológicas disparadas poreventos significativos. Por exemplo, ao nos defrontarmos com uma serpente numa mataapresentamos uma resposta de fuga, que é acompanhada por diversas alteraçõesfisiológicas tal como aumento da pressão sanguínea e dos batimentos cardíacos, contraçãode diferentes músculos, aumento da sudorese, etc. Para James, essas sensações são asemoções. Se essas sensações pudessem ser eliminadas, as emoções não ocorreriam. Ouseja, segundo James, sentimos medo porque fugimos e não fujimos porque sentimos medo.A teoria de James ganhou destaque até meados de 1920, quando foi questionadapelos estudos do fisiologista Walter Cannon. Cannon sugeriu que as reações fisiológicasresultantes de emoções distintas podiam ser as mesmas. Por exemplo, alteraçõesfisiológicas como aumento dos batimentos cardíacos e da sudorese e inibição da digestãoestão presentes tanto num estado de medo quanto num estado de raiva. Portanto, se ateoria de James estivesse correta, duas emoções diferentes não poderiam estar associadasàs mesmas reações fisiológicas. Ademais, Cannon observou que as alterações fisiológicasocorrem, em geral, mais lentamente que as sensações de um estado emocional, i.e., emgeral, sentimos as emoções antes mesmo de as mudanças fisiológicas a elas associadasocorrerem. Estudos posteriores demonstraram que Cannon estava errado ao afirmar que omedo e a raiva compartilham as mesmas reações fisiológicas.Com o surgimento do pensamento behaviorista, por volta de 1910, o estudo damente e, por conseguinte, o estudo das emoções, começou a ser considerado como não-científico. De fato, emoção era um típico exemplo dado pelos behavioristas de um tópicoobscuro que deveria ser rejeitado pela comunidade científica.Por volta de 1950, a revolução cognitivista retomou a concepção de mente e surgiu,então, a ciência da cognição. Estudos sobre os mecanismos das emoções foram, então,retomados. Pesquisadores como Magda Arnold, Caroll Izard, Jaak Panksepp, Paul Ekman,
  • 172. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 164 Julho/2010Jeffrey Gray, Antonio Damasio, Richard Davidson, Edmund Rolls, entre outros contribuírame têm contribuído com formulações teóricas sobre os mecanismos das emoções, mas aquestão central levantada por James, O que é a Emoção?, ainda não tem uma respostaconsensual.Por exemplo, Rolls e Gray propõem que emoções são estados eliciados porrecompensas e punições. Quando um organismo emite respostas para a obtenção de umdado estímulo, nos referimos a este estímulo como recompensa. Quando, por outro lado,um organismo emite respostas de esquiva a um dado estímulo, nos referimos a esteestímulo como punição. A codificação de um estímulo como recompensa ou punição seriaum mecanismo do sistema nervoso na interface entre a percepção do estímulo e a produçãode comportamentos e respostas autonômicas frente a ele. Esse mecanismo de atribuição devalor a estímulos do meio ambiente teria um valor adaptativo numa perspectiva evolutiva:respostas que garantem a obtenção de recompensas ou respostas que garantem a esquivae eliminação de punições tendem a aumentar a chance de sobrevivência e o sucessoreprodutivo do indivíduo.Paul Rozin apresenta uma visão um tanto diferente, que não privilegia as respostasde aproximação e esquiva na definição de emoção. Para ele, emoções seriam estadosmentais positivos ou negativos associados com alterações fisiológicas e comportamentaiseliciados por estímulos com significância para o indivíduo. Segundo essa concepção, umorganismo trabalha para manter ou aumentar um estado emocional positivo, e por outrolado, trabalha para reduzir, eliminar ou evitar um estado emocional negativo. Um bomexemplo que ilustra a diferença entre as visões “positivo-negativo” e “aproximação-esquiva”é a raiva, que apesar de ser um estado emocional negativo, está associada com umaresposta de aproximação, e não de esquiva.Apesar das fortes evidências contra a teoria de James, i.e., contra o papel dasreações fisiológicas na produção das emoções, Damasio recentemente propôs umahipótese bastante parecida com a teoria de James: a hipótese dos marcadores somáticos.Esse autor defende que depois que um estímulo com significância para um organismo épercebido, uma reação fisiológica (marcador somático) ocorre, a qual resulta numasensação. Essa sensação é avaliada pelo organismo, contribuindo para a tomada de umadecisão, i.e., para a escolha de uma resposta frente ao estímulo.Esses foram alguns exemplos de hipóteses levantadas sobre os processossubjacentes às emoções. Apesar das diferenças entre elas, parece haver um consenso deque as emoções operam no sistema nervoso através de um mecanismo de atribuição devalor, seja a estímulos do meio ambiente ou às próprias sensações inerentes ao estadoemocional. As emoções, de uma forma geral, são processos que facilitam a emissão derespostas apropriadas a eventos significativos ambientais e internos. Por exemplo, reações
  • 173. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 165emocionais são críticas para a emissão de respostas tais como evitar predadores e outrasfontes de perigo, encontrar alimento e parceiros sexuais, apresentar cuidado parental, eengajar em comportamentos sociais adequados. Assim, também é consenso que asemoções são funções do sistema nervoso com alto valor adaptativo numa perspectivaevolutiva, atuantes para a sobrevivência do indivíduo e da espécie.Reações emocionais inatas e aprendidasAo estudar comparativamente as expressões emocionais em seres humanos e emoutros animais, particularmente as expressões corporais e faciais, Darwin observousemelhanças nas expressões emocionais entre indivíduos de uma mesma espécie e entrediferentes espécies de animais, o que o levou a propôr que muitas das expressõesemocionais de um organismo são inatas ou herdadas, i.e., não são aprendidas peloindivíduo. Darwin observou, por exemplo, que a ereção dos pêlos do corpo e oscomportamentos de urinar e defecar em situações de grande perigo são muito comuns entreanimais de diferentes espécies, como mostra a Fig. 1. Darwin descreveu uma série deoutros exemplos comuns entre animais de diferentes espécies, como o comportamento demorder quando se está com raiva; a emissão de sons e a exibição de partes do corpo (comogarras, ereção dos pêlos, batimento das asas, etc) em condições de perigo como meio dedesencorajar o adversário de atacar; a emissão de sons, cheiros, posturas e exibição departes do corpo como sinal de receptividade sexual, entre muitos outros.Darwin também observou que as expressões faciais mostram-se muito similaresentre seres humanos de todo o mundo, indicando que elas independem da origem racial eda herança cultural do indivíduo. Também mostrou que mesmo indivíduos que não tiveramoportunidade de aprender os movimentos faciais e corporais com outras pessoas, comocegos de nascença e bebês muito novos, exibem normalmente expressões emocionais.Estudos mais recentes mostraram, por exemplo, que as expressões faciais de sereshumanos produzidas por suas experiências gustatórias com diferentes sabores eliciarampadrões de expressões faciais altamente similares entre adultos e recém-nascidos commenos 16 horas de vida e que não haviam tido ainda sua primeira experiência alimentar(Steiner & Glaser, 1995). Além disso, um estudo com diferentes espécies de primatas não-humanos demonstrou que as expressões faciais eliciadas por diferentes sabores sãosimilares entre as espécies para cada categoria de sabor, indicando homologia no que serefere aos processos subjacentes a essas expressões faciais entre grupos de primatasrelacionados.
  • 174. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 166 Julho/2010Figura 1. Reações emocionais de animais de diferentes espécies perante situações de perigo.Note a ereção dos pêlos no gato e no cão, e das penas na galinha. (A) gato assustado com umcachorro; (B) galinha afastando um cão de sua ninhada; (C) cachorro aproximando-se de outrocachorro com intenções hostis. Modificado a partir de Darwin (1872).Uma função importante das expressões faciais e corporais é de comunicar emoçõesa outros indivíduos. Elas funcionam como um sinal preditivo da tendência de um indivíduo ase engajar em uma série de comportamentos em função das condições ambientais,incluindo as sociais. E nesse contexto, as expressões faciais e o seu reconhecimento pelosoutros indivíduos do grupo exercem um papel chave na interação social. Gene Sackett(1966), ao estudar as expressões faciais de macacos que não haviam tido qualquer contatosocial prévio ao experimento, observou que esses macacos produziam expressões faciais erespostas comportamentais diante de fotografias de coespecíficos com diferentes tipos deexpressão (e.g. expressão ameaçadora, de medo ou de alegria) similares a macacos quefaziam parte de um grupo social. Este estudo demonstrou que a experiência social não eranecessária para a produção de expressões faciais e comportamentos típicos de sua espécieproduzidos diante de expressões faciais de coespecíficos. Isso indica que existe umcomponente inato tanto na produção de expressões faciais quanto no reconhecimento doconteúdo emocional das expressões. Entretanto, quando os macacos isolados foraminseridos em um grupo social, mostraram-se incapazes de reagir prontamente eapropriadamente a expressões faciais e comportamentos de outros macacos numadinâmica social. A experiência social foi fundamental para os macacos previamente isoladosaprenderem sobre mensagens emocionais num contexto social complexo e reagirapropriadamente a tais situações.De fato, as emoções estão sujeitas a aprendizagem e memória. Isto é, os animaissão capazes de aprender a apresentar respostas emocionais a estímulos que outrora nãoeliciavam respostas emocionais reflexas, e de se recordar do conteúdo aprendido. Essacapacidade de aprendizagem e memória de natureza emocional resulta em flexibilidade naemissão de respostas emocionais frente às mudanças do meio ambiente, o que tem alto
  • 175. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 167valor adaptativo.John Watson demonstrou experimentalmente esse tipo de aprendizagem em 1920 –o que veio a ser conhecido como o caso do pequeno Albert e o rato. Watson observou queum som alto e estridente induzido por uma martelada numa haste de metal eliciava choro nobebê Albert – o bebê apresentava um medo natural àquele tipo de som. Watson, emseguida, colocou um rato albino diante do bebê e observou que Albert tentava tocar no rato,não apresentando medo pelo animal. Imediatamente depois que o bebê tocou o rato, opesquisador produziu um som estridente próximo ao bebê. Depois de alguns pareamentosentre o rato e o som, Watson observou que Albert passou a chorar na presença do rato. Obebê passou a sentir medo pelo rato, algo que não sentia antes. Watson demonstrouexperimentalmente que reações emocionais são passíveis de aprendizado: indivíduospodem aprender a emitir respostas emocionais a novos estímulos.Ferramentas de estudo: abordagens comportamentaisO procedimento experimental utilizado por Watson foi inicialmente descrito pelofisiologista Ivan Pavlov, e em sua homenagem é conhecido por condicionamento Pavloviano(Fig. 2). Ao estudar a resposta de salivação reflexa de cães, Pavlov observou que osanimais não somente salivavam na presença do alimento, mas também salivavam diante dopote onde a comida seria apresentada, e até mesmo diante dos sons produzidos na suachegada ao laboratório – todos esses eram eventos que prediziam a liberação da comidaaos cães. Pavlov, então, elaborou um experimento no qual pareou o som de umacampainha, que não eliciava a resposta de salivação nos cães, à apresentação de carne,que por sua vez naturalmente eliciava a salivação. Depois de realizar esse pareamento 60vezes, Pavlov apresentou aos cães o som da campainha na ausência da liberação da carne,e mediu a quantidade de saliva produzida pelos animais. Ele observou que bastava o somda campainha para os animais salivarem.O condicionamento Pavloviano, também denominado condicionamento clássico, éuma ferramenta comportamental comumente utilizada no estudo de aprendizagememocional em animais não-humanos e humanos, tanto envolvendo estímulos aversivos(“negativos”), como no caso do experimento idealizado por Watson, quanto envolvendoestímulos apetitivos (“positivos”), como no caso do experimento de Pavlov.
  • 176. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 168 Julho/2010Figura 2. Procedimento de condicionamento Pavloviano. Modificado apartir de Moreira & Medeiros (2007).O medo aprendido (ou medo condicionado) tem sido uma das reações emocionaismais amplamente estudadas pela neurociência. Sua investigação se faz comumente atravésdo procedimento de condicionamento clássico aversivo. Nesta situação, a apresentação deum estímulo inicialmente neutro, por exemplo um estímulo sonoro, é pareado algumasvezes a um evento aversivo, geralmente um choque nas patas do animal. O som passa aeliciar respostas que tipicamente ocorrem na presença de perigo, como comportamentosdefensivos (e.g., respostas de congelamento), respostas autonômicas (e.g., mudança depressão arterial e batimentos cardíacos), respostas neuroendócrinas (e.g., liberação dehormônios das glândulas adrenais e da pituitária), entre outras. Em geral, toma-se aresposta de congelamento (ou “freezing”) como medida de medo condicionado em roedores.Os comportamentos relacionados ao condicionamento Pavloviano são chamados decomportamentos respondentes. Um comportamento respondente é aquele que é eliciadopor um evento significativo do ambiente (e.g., o choro do bebê Albert perante ao rato albino,e o congelamento diante do estímulo sonoro condicionado), e prepara o organismo paraenfrentar o evento em questão. Diferentemente, quando um organismo emite umcomportamento para produzir uma consequência, chamamos este comportamento deoperante. Por exemplo, o choro de um bebê para obter a atenção de seus pais é umcomportamento operante: o bebê chora para a obtenção ou manutenção de um estímuloque lhe causa reações emocionais positivas – a atenção de seus pais. A estímulos destanatureza nos referimos como recompensas. A resposta de fuga de um animal para escaparde um predador também é um comportamento operante; neste caso, o animal emite uma
  • 177. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 169resposta de esquiva a um estímulo que lhe causa reações emocionais negativas. Aestímulos desta natureza nos referimos como punições.Condicionamento operante é a situação de aprendizado de um comportamentooperante, e é amplamente empregado no estudo das emoções. O procedimento de esquivapassiva (ou inibitória) é um exemplo de condicionamento operante aversivo, no qual aapresentação de um estímulo que produz uma reação emocional negativa aumenta aprobabilidade de o animal emitir uma resposta de esquiva a este estímulo. Nesta situaçãocomportamental, por exemplo, um rato é introduzido sobre uma estreita plataformalocalizada acima de um assoalho de metal. O rato mostra uma tendência natural de descerda pequena plataforma para o assoalho da caixa. No entanto, toda vez que o rato toca oassoalho, recebe um choque nas patas. O tempo que o animal leva para descer daplataforma aumenta com o treino, indicando aprendizagem do condicionamento operante: oanimal aprende a emitir o comportamento de permanecer sobre a plataforma para seesquivar de um perigo – o choque nas patas.Condicionamentos operantes apetitivos também são amplamente empregados noestudo das emoções. Neste caso, a apresentação de um estímulo que produz uma reaçãoemocional positiva aumenta a probabilidade de o animal emitir uma resposta para aobtenção ou manutenção deste estímulo. Por exemplo, é comum a utilização de umprocedimento no qual um rato é treinado a pressionar uma barra no interior de uma caixapara receber alimento. Outro exemplo é o procedimento de auto-estimulação elétrica. Nestecaso, a estimulação elétrica em determinadas regiões do encéfalo funciona comorecompensa, i.e., o organismo produz comportamentos para obter a estimulação.O fenômeno de auto-estimulação elétrica tem sido usado como ferramenta para oentendimento dos mecanismos de recompensa e punição no sistema nervoso. Em algumasregiões do encéfalo, a estimulação elétrica pode mimetizar os efeitos de recompensasnaturais para um organismo, como os efeitos de comida para um animal com fome ou deágua para um animal com sede. Até mesmo alterações de humor, como sensações de bem-estar ou de mal-estar relatadas por seres humanos, podem ser provocadas por estimulaçãoelétrica em determinadas áreas do encéfalo.Não raro a técnica de apresentação de estímulos de natureza emocional, como porexemplo figuras e palavras com conteúdo emocional, é empregada nas pesquisas sobreemoções em seres humanos. Peter Lang e colaboradores (1995) criaram o SistemaInternacional de Figuras Afetivas (IAPS, do inglês, International Affective Picture System)que consiste em um conjunto de fotos de cenas de violência, de sexo, de cenas alegres ouneutras, entre outras, que evocam diferentes respostas emocionais. Centenas de indivíduosforam expostos a essas fotos e classificaram-nas quanto à valência e ao grau de alerta dasreações emocionais que elas evocavam. Essas cenas e as suas respectivas classificações
  • 178. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 170 Julho/2010têm sido utilizadas em numerosos estudos que empregam a ferramenta de produzir reaçõesemocionais em indíviduos. Algumas dessas cenas são mostradas na Fig. 3.Figura 3. Algumas cenas do Sistema Internacional de Figuras Afetivas (IAPS - InternationalAffective Picture System). Modificado a partir de Lang et al. (1995).Bases NeuraisEm 1878, o neurologista Paul Broca cunhou o termo “lobo límbico” para um conjuntode estruturas nervosas localizadas ao redor do corpo caloso, incluindo o córtex cingulado, ocórtex na superfície medial do lobo temporal e o hipocampo, como mostra a Fig. 4.Figura 4. Lobo límbico definido por Broca. Modificado a partir de Bear et al. (2002).Mais tarde, em 1937, o neurologista James Papez propôs que as emoções seriamprocessadas por uma rede de circuitos neurais no cérebro que incluia o hipotálamo, otálamo anterior, o córtex cingulado e o hipocampo (Fig. 5). Para Papez, a experiênciaemocional seria determinada pela atividade do córtex cingulado, e a expressão emocionalpelo hipotálamo. Papez propôs que o córtex cingulado e o hipotálamo manteriam conexõesbidirecionais indiretas entre si através do hipocampo e do tálamo anterior, de modo que aexperiência emocional e a expressão emocional se relacionariam.
  • 179. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 171Figura 5. Circuito proposto por Papez. Modificado a partir de Bear et al. (2002).No início da década de 1950, o fisiologista Paul MacLean referiu-se ao circuitoproposto por Papez como “circuito de Papez” e adicionou a ele a amígdala, o córtexorbitofrontal e parte dos núcleos da base propondo um sistema mais ampliado responsávelpelas emoções no cérebro, que denominou “sistema límbico”, valendo-se do termoinicialmente empregado por Broca. O conceito de sistema límbico como a parte emocionaldo cérebro foi amplamente difundido e apesar da sua inconsistência, não é difícil nosdepararmos com esse termo até os dias atuais. Fortes evidências mostram o envolvimentode algumas estruturas do sistema límbico em processamentos de ordem emocional, como aamígdala e o hipotálamo. Por outro lado, as pesquisas têm mostrado que outras estruturasdo sistema límbico não desempenham papel importante neste tipo de processamento, comopor exemplo, o hipocampo. Ademais, a idéia de um sistema único responsável pelasemoções no cérebro tem se mostrado inconsistente. Diferentemente, parece que diferentescircuitos neurais amplamente distribuídos no sistema nervoso estão envolvidos comdiferentes situações emocionais ou aspectos do processamento emocional.Algumas estruturas do sistema nervoso têm sido fortemente relacionadas àsemoções. Historicamente, a primeira sugestão de que a amígdala estaria envolvida naprodução de comportamentos emocionais surgiu a partir das observações de Klüver e Bucy(1939). Esses autores mostraram que a ablação bilateral das porções anteriores do lobotemporal de macacos produziu um conjunto de comportamentos, denominado síndrome deKlüver-Bucy, cuja característica principal era o que os pesquisadores chamaram de cegueirapsíquica, que compreendia a aparente perda da reação emocional a estímulos sensoriais,principalmente os visuais. Isto é, os animais podiam ver perfeitamente, mas os objetospareciam ter perdido o seu significado “psicológico”; por exemplo, os macacos lesados
  • 180. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 172 Julho/2010levavam à boca objetos não comestíveis, tentavam copular com indivíduos do mesmo sexoou de outras espécies, e perdiam o medo por cobras e pessoas. Mais tarde, outros estudostentaram determinar que regiões específicas do lobo temporal tinham maior relevância nasíndrome, e nesse sentido, o trabalho de Weiskrantz (1956) foi marcante por demonstrarque a ablação bilateral da amígdala em macacos levou a uma série de mudançascomportamentais que incluia mansidão, perda de responsividade emocional, exameexcessivo de objetos, consumo de itens alimentares previamente rejeitados e aproximaçãode objetos previamente relacionados ao medo, que em muito se assemelhavam aoscomportamentos observados por Klüver e Bucy. Weiskrantz (1956) também reportou que aablação bilateral da amígdala em macacos resultou em prejuízo na aprendizagem da tarefade esquiva ativa, em que o animal deve produzir uma resposta operante (de esquiva) napresença de um estímulo que sinaliza a pendência de um choque. Baseado nessas e emoutras observações, Weiskrantz (1956) foi um dos primeiros a sugerir que a amígdala seriafundamental para que as representações de estímulos preditivos fossem associadas àspropriedades afetivas de estímulos biologicamente significativos – idéia que é sustentadaaté hoje por numerosas evidências. Mais tarde, Jones e Mishkin (1972) sugeriram quemuitos dos sintomas da síndrome de Klüver-Bucy seriam decorrentes do prejuízo neste tipode aprendizagem (ver Rolls, 1992). Consistentes com esses achados e com essainterpretação estão os relatos do envolvimento da amígdala no medo condicionado (descritoacima), onde um estímulo (e.g., um som) prediz a ocorrência de um estímulo aversivo (e.g.um choque). Humanos e animais não-humanos com danos na amígdala não aprendem aapresentar medo diante do estímulo preditivo, diferente de indivíduos normais. De fato, doponto de vista hodológico, a amígdala encontra-se em condições de associarrepresentações sensoriais de um dado estímulo com as propriedades afetivas de umestímulo significativo. Depois de processadas e associadas na amígdala, essas informaçõespodem modificar respostas autonômicas, endócrinas, somáticas e comportamentais pormeio das diferentes áreas de projeção da amígdala.Estudos com seres humanos têm demonstrado que a amígdala exerce um papelfundamental no reconhecimento de expressões faciais de medo. Este envolvimento daamígdala se dá especialmente em se tratando de expressões faciais de medo, e não deoutros tipos. Por exemplo, se solicitarmos a um paciente com dano amigdalar classificaruma expressão facial de medo numa escala de 1 (sem medo) a 6 (amedrontada), ele dirá 2ou 3, ao passo que um indivíduo normal dirá 5 ou 6. O mesmo não ocorre para umaexpressão facial alegre: ambos os sujeitos classificarão essa expressão dentro da mesmaescala. Em seres humanos, a amígdala parece ser fundamental para a avaliação desomente poucos tipos de expressões faciais, e não parece importante para produzirexpressões faciais apropriadamente. De fato, danos amigdalares em seres humanos
  • 181. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 173provocam fracos prejuízos na interação social, o que não ocorre em animais não-humanos.Macacos com danos na amígdala, por exemplo, mostram graves prejuízos em responder aestímulos sociais e, em geral, são isolados do convívio social pelos outros indivíduos dogrupo.Outra estrutura nervosa que tem sido sistematicamente descrita como envolvida emprocessamento emocional é o córtex orbitofrontal. Uma das primeiras evidências dissosurgiu do famoso caso Phineas Gage. Phineas Gage, aos 25 anos, era o contramestre deuma equipe que trabalhava na construção de uma estrada de ferro. O trabalho de PhineasGage era preparar dinamites para a explosão das rochas do terreno. Em setembro de 1848,um trágico acidente acometeu Gage. Uma explosão inesperada produzida por um erro nopreparo de uma dinamite fez com que uma barra de ferro penetrasse pela bochecha deGage saindo pelo topo frontal de sua cabeça. Gage se recuperou dos ferimentos produzidospelo acidente, mas mostrou mudanças acentuadas em seu comportamento e personalidade.Antes do acidente ele era uma pessoa responsável e admirada pela eficiência, paciência ebom gerenciamento em seu trabalho e vida pessoal. Depois, tornou-se irresponsável,impaciente e grosseiro. Também não conseguia planejar ações para o futuro e executá-las;logo se perdia em outros planejamentos, que sempre abandonava. No entanto, ele nãoapresentava sinais de prejuízos de outras naturezas, tais como perda de inteligência,deficiências motoras ou de percepção. Gage parece ter perdido a habilidade de controlarsuas respostas emocionais. Parece ter perdido também a habilidade de avaliar o significadodos eventos e tomar decisões apropriadas diante deles. O resultado disso foi que Gage logofoi demitido de seu emprego e seguiu uma vida sem direcionamento até sua morte, que sedeu 13 anos mais tarde, fruto de uma forte crise epiléptica. O crânio de Phineas Gage e abarra de ferro que produziu o acidente foram preservados, e muitos anos mais tarde,Damasio e colaboradores (1994) reconstruíram a lesão de Gage com técnicas deneuroimagem confirmando o dano da porção ventromedial do córtex pré-frontal, comomostra a Fig. 6.A região acometida em Phineas Gage corresponde a uma parte do córtexorbitofrontal. O córtex orbitofrontal equivale à porção mais ventral do córtex pré-frontal erecebe este nome por estar posicionado imediatamente acima das órbitas. O córtexorbitofrontal é particularmente bem desenvolvido em primatas, incluindo seres humanos, epouco desenvolvido em outros animais, tais como os roedores. Em seres humanos, lesão docórtex orbitofrontal resulta em euforia, irresponsabilidade e perda de afeto. Essas alteraçõesse refletem na tendência a responder a determinados estímulos quando responder éinapropriado. Esta característica é evidente também em primatas não-humanos e emroedores com danos na mesma região. Por exemplo, macacos e ratos com lesão do córtexorbitofrontal exibem desempenho prejudicado em um teste comportamental denominado
  • 182. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 174 Julho/2010tarefa de reversão. Nesta tarefa, o animal é inicialmente recompensado por escolher umdeterminado objeto entre um conjunto de objetos diferentes. Em seguida, o reforçamento érevertido, ou seja, a escolha de um outro objeto e não mais do primeiro é que passa a serrecompensada. Animais com danos no córtex orbitofrontal continuam respondendo aoprimeiro objeto depois da reversão, diferentemente de animais normais, que alteram a suaescolha para o objeto que passa a resultar em recompensa. De maneira similar, lesão docórtex orbitofrontal também leva a prejuízo em tarefas de extinção, nas quais a escolha deum objeto, que inicialmente era recompensada, passa a resultar em nenhuma recompensa.Animais com lesão do córtex orbitofrontal continuam respondendo mesmo quando asrespostas não são mais reforçadas, diferentemente de animais normais, que param deresponder. Sugere-se que a atividade do córtex orbitofrontal facilitaria a mudança derepresentações associativas antigas e a aquisição de novas associações pela amígdala(Schoenbaum et al., 2007). De fato, essas estruturas mantêm densas conexõesbidirecionais entre si. Essas mudanças comportamentais resultantes de danos no córtexorbitofrontal têm sido relacionadas com a incapacidade de tomar decisões apropriadasobservadas em seres humanos e outros animais com lesão nesta região.Figura 6. O crânio de Phineas Gage e a reconstrução da imagem do seu encéfalotrespassado pela barra de ferro. Modificado a partir de Gazzaniga et al. (2006).O núcleo accumbens, por sua vez, está envolvido com os estados afetivos ligados arecompensas prazerosas. Por exemplo, estudos eletrofisiológicos mostram que a ativação
  • 183. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 175de neurônios do núcleo accumbens se dá pela apresentação de estímulos prazerosos comoalimentos, oportunidade de contato sexual com outros indivíduos, e até mesmo drogas deabuso como anfetamina, heroína e cocaína. A ativação dessa região também se dá porestímulos reforçadores secundários, i.e., estímulos inicialmente neutros que passam apredizer a ocorrência das recompensas naturais. Evidências sugerem que as projeçõesdopaminérgicas para o núcleo accumbens estão envolvidas com a atribuição de valor deincentivo a recompensas. Por valor de incentivo entende-se o quanto um organismo desejaum determinado estímulo, ou seja, o quanto ele está disposto a trabalhar para obter aqueleestímulo. Isso é diferente de valor hedônico, que se refere a quanto um organismo gosta deum determinado estímulo. A dopamina parece ser importante para o valor de incentivo, masnão para o valor hedônico das recompensas. Por outro lado, os neurotransmissoresopióides parecem estar envolvidos com o valor hedônico. Por exemplo, a ativação dereceptores opióides no núcleo accumbens por injeção de morfina aumenta a habilidade deuma solução adocicada eliciar reações afetivas positivas.Dentre outras regiões importantes para o processamento emocional encontram-se,por exemplo, o córtex cingulado, o hipotálamo lateral e estruturas do tronco encefálico. Ocórtex cingulado está envolvido com as sensações e antecipações de dor. Um dostratamentos para dores intratáveis em seres humanos consiste na destruição do córtexcingulado, que por razões ainda não claras, também auxilia no tratamento de depressão edo transtorno obsessivo-compulsivo. Danos no hipotálamo lateral, por sua vez, eliminamcomportamentos motivados, como por exemplo o comportamento de se alimentar, de beber,e o comportamento sexual. E consistentemente, a estimulação elétrica do hipotálamo lateralelicia esses tipos de comportamentos, além do comportamento maternal, do ataquepredatório, do comportamento defensivo, entre outros. Finalmente, apesar de a visãotradicional sobre as funções do tronco encefálico colocarem-no numa posição meramentereflexiva, estudos recentes têm atribuído a ele importância para as experiências emocionais.Por exemplo, a sensação de dor é modulada pela substância cinzenta periaquedutal,enquanto que a sensação de prazer eliciada por um alimento é modulada pelo núcleoparabraquial da ponte. O núcleo tegmental peduncolopontino tem se mostrado importantepara o valor reforçador de drogas de abuso como a morfina e a anfetamina. De fato, acapacidade de reagir a estímulos significativos do ambiente, função primordial das emoções,é tão fundamental para a sobrevivência e sucesso do indivíduo, que ela deve ter surgidomuito cedo na história evolutiva dos vertebrados, quando a organização do sistema nervosoera dominada pelo tronco encefálico (Panksepp, 1998).A relação das emoções com outras funções cognitivasConforme descrevemos acima, pacientes com lesão da amígdala se mostram
  • 184. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 176 Julho/2010prejudicados em apresentar respostas autonômicas de medo a um estímulo que prediz aocorrência de um estímulo aversivo. Por exemplo, a paciente S.P., com dano bilateral naamígdala, foi apresentada à figura de um quadrado na tela de um computador por algunssegundos, a qual se seguia imediatamente um choque fraco no seu pulso. Pessoas normaismostram alterações na condutância da pele imediatamente após o recebimento do choque,indicando reação aversiva ao choque, e também mostram alterações na condutância dapele perante à figura do quadrado após alguns pareamentos, indicando o aprendizado docondicionamento aversivo. Entretanto, a paciente S.R. apesar de mostrar alterações nacondutância da pele em resposta ao choque, não mostrou qualquer alteração diante doquadrado, demonstrando que não foi capaz de aprender o condicionamento aversivo.Apesar disso, a paciente foi capaz de relatar verbalmente que sabia que receberia umchoque tão logo o quadrado fosse apresentado na tela do computador. Claramente essesdados demonstram uma dissociação entre o aprendizado explícito sobre um eventoemocional e o aprendizado implícito sobre a mesma situação. Como foi discutido emcapítulo anterior, o aprendizado explícito depende do funcionamento do hipocampo, econsistentemente, pacientes com lesão hipocampal, quando testados na mesma tarefa,apresentam alterações normais na condutância da pele perante ao quadrado, mas sãoincapazes de relatar sobre a associação existente entre o quadrado e o choque no pulso.De fato, as emoções têm um forte componente não declarativo ou inconsciente. Osignificado emocional de estímulos pode ser processado inconscientemente. Em umexperimento clássico, Lazarus e McCleary (1951) reportaram a existência de reaçõesemocionais a estímulos percebidos subliminarmente, ou seja, sem conhecimentoconsciente. Lazarus apresentou algumas letras na tela de um computador em períodos detempo muito curtos (da ordem de milisegundos), de forma que não pudessem serpercebidas de forma consciente. Depois de alguns pareamentos de algumas letras comchoques elétricos, Lazarus evidenciou que os sujeitos exibiam respostas autonômicasperante às letras condicionadas, mesmo sem nenhuma percepção consciente delas.Num teste chamado impressão emocional subliminar, idealizado por Murphy eZajonc (1993), uma foto de um rosto com expressão sorridente ou furiosa era apresentadasubliminarmente a um sujeito na tela de um computador, seguida de um estímulo-alvo,como por exemplo, um ideograma chinês. Zajonc evidenciou que quando os sujeitos eramquestionados sobre suas preferências aos estímulos-alvo, relatavam preferência aosideogramas associados às expressões sorridentes, e não às furiosas, indicando que osestímulos-alvo adquiriram um significado emocional em função de uma reação emocionalativada subliminarmente pelas expressões faciais percebidas inconscientemente.Interessantemente, a impressão emocional se mostrou mais eficaz quando as expressõesfaciais eram apresentadas de forma subliminar do que quando eram percebidas
  • 185. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 177conscientemente pelos sujeitos.Estes estudos mostram que as emoções são particularmente sensíveis a estímulosinconscientes. De fato, a percepção estritamente inconsciente de um estímulo e a suainfluência nas reações emocionais não são passíveis de questionamento, ao passo que apercepção consciente de um estímulo possibilita algum controle sobre as reaçõesemocionais que ela gera ou influencia.O significado emocional de um estímulo também pode ser aprendidodeclarativamente, e não só por meio de um procedimento implícito, como o condicionamentoaversivo. Um exemplo é o fenômeno do medo instruído, no qual aprendemos a ter medo dealgo por aprendizagem declarativa, mesmo sem nunca termos experienciado de fato oestímulo aversivo, ou seja, mesmo sem nunca termos sido condicionados aversivamente aodado estímulo. Por exemplo, somos capazes de aprender a ter medo de tocar uma tomadaporque fomos instruídos que podemos levar um choque elétrico se o fizermos, mesmo semnunca termos tocado sequer uma tomada e recebido choque. A amígdala também se mostraimportante neste tipo de aprendizagem emocional.A interação das emoções com o sistema de memória declarativa também se dá deuma outra maneira: as emoções podem intensificar nossas memórias declarativas. Isso ficaclaro pelo fato de experiências emocionais serem melhor recordadas do que experiênciassem conteúdo emocional. Se nos propusermos a recordar alguns eventos que vivenciamos,é mais provável que nos recordemos de eventos de cunho emocional, como o falecimentode um ente querido, o primeiro namorado, etc. O processo de armazenamento de umamemória envolve inicialmente a codificação da representação da memória do evento emquestão, seguido pela consolidação dessa memória, que é o processo pelo qual novasmemórias tornam-se mais permanentes e resistentes à perda. O estado de alerta produzidopor um evento emocional aumenta a atenção direcionada ao evento, o que faz melhorar acodificação da representação dessa memória. Além disso, a atividade do hipocampo émodulada pela amígdala melhorando o processo de consolidação da memória de um eventoemocional.Numa perspectiva evolutiva, a melhora da memória para eventos significativos doambiente tem um alto valor adaptativo, pois garante que a informação sobre esses eventosseja disponibilizada em ocasiões futuras, aumentando a probabilidade de sobrevivência esucesso do indivíduo.
  • 186. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 178 Julho/2010
  • 187. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 179Neurofisiologia da LinguagemRodrigo CollinoLaboratório de Neurociência e Comportamentorodrigocollino@terra.com.brIntroduçãoDentro das ciências cognitivas, o estudo da linguagem tem ganhado grandeatenção nas últimas décadas. É uma área que envolve diversos detalhes e grandecomplexidade, dado o emprego de técnicas desenvolvidas apenas recentemente (a partir dametade do séc. XX) em estudos neurocientíficos. Anteriormente a este período, asconclusões de médicos acerca da neurofisiologia da linguagem eram abstraídas somenteatravés da análise da casos clínicos, advindos de acidentes que causassem danos a áreasespecíficas do cérebro, e que acabavam por desenvolver sequelas de cunho linguístico – nacompreensão da fala, ou na produção de mesma, por exemplo. Retrocedendo mais ainda notempo, pensava-se na Grécia Antiga que o controle da linguagem estivesse concentradototalmente na língua do indivíduo. Assim, ao encontrar um indivíduo que, provavelmentedevido a um acidende vascular cerebral (AVC), apresentasse dificuldades na dicção, eracomum oferecer-lhe tratamento através de massagens em sua língua, na esperança derecobrar-lhe a fala. Atualmente, estudiosos da neurociência contam com instrumentosaguçados de avaliação da atividade cerebral, tais como fMRI, MEG, PET e ERP, a fim decorrelacionar características da linguagem e regiões cerebrais específicas e seusrespectivos padrões de ativação neuronal.Neste capítulo, vamos explorar algumas das maravilhas da linguagem produzidaspelo cérebro humano: o que a torna tão particular da espécie humana, sua lateralização emodularidade cerebral, distúrbios ocasionados pela falha em alguns de seus mecanismos, ecomo é possível o cérebro aprender e utilizar mais de uma língua para nossa comunicação.A Linguagem é exclusiva do Homem?Vivemos imersos neste complexo comportamento chamado linguagem; ouvimos,falamos, lemos e escrevemos quase que instintivamente e inconscientemente, sem pensarmuito na ordem das palavras que emitimos, ou no som das sílabas que ouvimos. Bebêsnascem e, em questão de 1 ou 2 anos, já entendem muito de sua língua-mãe e não levammuito mais tempo para se comunicarem fluentemente.Antes objeto de estudo apenas de linguistas, hoje a Linguagem passa também aodomínio de neurocientistas que procuram traçar sua ontogenia cerebral, e até mesmoencontrar semelhanças entre a nossa comunicação e aquela usada por outros animais. Decerto, algumas espécies de animais se comunicam, como as aves, cães, lobos e primatas,
  • 188. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 180 Julho/2010mas até que ponto esta forma de comunicação pode ser equiparada à nossa? Será quealguma outra espécie poderia aprender a “linguagem dos homens”?Neste sentido, vários experimentos têm sido realizados, especialmente comchipanzés. Em um deles, tentou-se ensiná-los a aprender palavras em Inglês de elementospresentes em seu ambiente, e esperar que falassem ou ao menos entendessem o que lhesfora apresentado. Um dos resultados mais significativos deste experimento foi perceber quetais primatas possuem um sistema fonador diferenciado do nosso, o que limitaenormemente a produção de nuances dos sons que podem ser emitidos pela espéciehumana, e também que conseguiam compreender apenas 400 palavras aos 2,5 anos. Emoutra tentativa de ensinar um chipanzé a comunicar-se, optou-se pela Linguagem de Sinais(ASL), e chegou-se à seguinte conclusão: até os 4 anos de idade, o chipanzé haviaaprendido a sinalizar 160 palavras, e chegou até mesmo a produzir a composição “waterbird” ao ver um cisne em um lago. Pois bem, comparando-se com crianças de nossaespécie, aos 4 anos de idade, elas já possuem um vocabulário de aproximadamente 3.000palavras. Além disso, não é possível saber com certeza se a produção de “water bird” poraquele chipanzé representava uma alegoria ao cisne ou se, simplesmente, eram duasmensagens separadas – uma indicando a água em si, e a outra indicando o cisne.De modo muito diferente, a espécie humana parece ter sido selecionada com estacaracterística inata à linguagem: atualmente, no planeta, contam-se 10.000 idiomas edialetos dentre todos os povos da raça humana. Além disso, casos de indivíduos quecresceram em total isolamento com a sociedade relatam o desenvolvimento de formaspróprias de comunicação. Por fim, há algumas características que diferem a comunicaçãohumana daquela encontrada em qualquer outra espécie animal. São elas: criatividade: a capacidade de gerar novas associações de palavras – ou atémesmo criar um novo dialeto; forma: uso de fonemas e sílabas para compor palavras, e emprego de regrassintáticas bem definidas para compor sentenças, tudo isso sem a necessidade deintrução formal, mas da aprendizagem implícita – experienciada em nosso dia-dia; conteúdo: não só as palavras, mas também gestos, expressões faciais e aentonação utilizadas carregam significado na comunicação humana. uso: a língua serve o propósito de meio de comunicação social e também paraidentidade própria (expressa nossos pensamentos e emoções).Assim, podemos dizer que nossa forma de comunicação é única e complexadentre os seres vivos de nosso planeta. Surgem também algumas questões, de discussãoatual no meio científico: esta capacidade única do ser humano reflete algum ajuste fino docérebro primata para o propósito específico da linguagem? Ou tal capacidade dever-se-ia aodesenvolvimento de uma arquitetura neural completamente nova? Para melhor nos ajudar
  • 189. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 181na busca por respostas a estas perguntas, vamos agora olhar para dentro do centro dalinguagem: o cérebro humano.Neuroanatomia da LinguagemTodos os aspectos da linguagem são comandados pelo cérebro: a captação deondas sonoras provenientes da conversa entre duas pessoas é levada ao sistema nervosocentral pelo nosso sistema auditivo; a produção da fala, envolvendo a articulação dos lábiose língua, também tem seu controle motor coordenado pelo cérebro; a leitura e a escrita, eaté mesmo nossa linguagem corporal, intermediados pelos sistemas visual e motor, sãoorquestrados pelos 1,5 quilo de massa cinzenta que se encontra dentro de nossa caixacraniana.Cada uma destas funções linguísticas encontra-se sob responsabilidade de áreasneuroanatômicas bem definidas e localizadas, que serão ilustradas na Fig. 1 e Tab. 1:Tabela 1 - Relação de algumas estruturas cerebrais e seus respectivos papéis na linguagem.Estrutura neuroanatômica Função controladaRegião temporo-superior posterioresquerdaCompreensão da fala e escritaRegião frontal inferior posterior esquerda Expressão oral e escritaCórtex auditivo primário Percepção de sonsRegião temporo-parietal esquerda Categorização de fonemasCórtex estriado e pré-estriado Visualização de palavrasCórtex pré-frontal Iniciação e categorização de palavrasTálamo Interface semântico-lexicalPercebemos, então, um fenomêno de lateralização cerebral no que se diz respeitoao controle da linguagem, determinando o hemisfério esquerdo como dominante. De fato,99% das pessoas destras e 70% dos canhotos desenvolvem tal característica. O hemisférioFigura 1 – Principais áreas anatômicas docérebro humano.
  • 190. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 182 Julho/2010direito também participa em características importantes da linguagem, tais comocompreensão de respostas não-verbais, leitura de números, letras e palavras curtas, econferir entonação, ritmo e prosódia à lingua falada. O centro de compreensão prosódicatambém localiza-se no hemisfério direito (córtex posterior).Hoje é possível “ver” o cérebro em funcionamento através de procedimentos comoPET e fMRI. Vários experimentos tem sido feito envolvendo linguagem e mapeamentocerebral. Na Figura 2 estão representados resultados obtidos quando da ativação cerebralem função de diferentes usos da linguagem:Portanto, podemos prever que danos em determinada porção do tecido cerebralpodem afetar uma característica específica da linguagem. São diversas as disfunçõesdecorrentes de AVC, conhecidas como afasias (difunções na produção ou compreensão dafala), alexias (disfunções na leitura) e agrafias (disfunções na escrita). As mais conhecidassão as afasias de Broca, de Wernicke e de Condução.A afasia de Broca afeta o conteúdo da expressão oral e escrita.Geralmente édecorrente de lesões na região fronto-posterior esquerda, produzindo alterações no pacienteequivalentes a uma “fala telegráfica”: substantivos são usados apenas no singular, verbossem flexão, levando até mesmo a uma total quebra na sintaxe da frase (p.e., “Senhoras esenhores, por favor dirijam-se à sala de jantar”, seria produzido por um destes pacientescomo “senhora, senhor, sala”). A afasia de Wernicke não prejudica a produção, mas sim acompreensão da fala e da escrita. Devido a esta dificuldade de compreensão, sua fala ficaafetada por uma fluência em excesso, com abundância de palavras e frequentes trocas deassunto dentro do mesmo trecho discursivo, produzindo uma espécie de “vazio” na fala.Geralmente é resultado de lesões na região temporo-posterior superior esquerda. A afasiade Condução ocorre quando o fascículo arqueado (região parietal esquerda), que interligaas regiões de Broca e Wernicke, é rompido. Seus principais sintomas são dificuldades narepetição de frases e palavras e na nomeação de objetos, e troca de letras durante a escrita.Figura 2 – Níveis relativos de fluxo sanguíneorepresentado por cores. Vermelho indica osmaiores níveis, e níveis progressivamentemenores são indicados por laranja, amarelo,verde e azul. Retirado de Posner e Raichie, 1994.
  • 191. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 183Existem também disfunções da linguagem observadas por lesões no hemisfériodireito do cérebro: indivíduos que utilizam um único tom de voz na linguagem após lesão nocórtex frontal direito, e indivíduos que não conseguem realizar compreensão prosódica apóslesão no córtex posterior direito.Há, ainda, aqueles distúrbio linguísticos sem lesões vasculares ou mecânicasaparentes, apontando apenas para um componente genético. A dislexia, por exemplo,envolve grandes dificuldades em processos fonêmicos, ocasionando atrasos no aprendizadode leitura e grafia incorreta de palavras. Estudos recentes apontam para um possívelcorrelato anatômico da dislexia: indivíduos disléxicos apresentam tamanho levementereduzido do hemisfério esquerdo, com grupos de neurônios “mal-posicionados” no planumtemporale esquerdo – o que sugere um atraso na migração daquelas células durante odesenvolvimento. Existe, ainda, uma dificuldade em processar estímulos sensoriais (visuaisou auditivos) de forma rápida por parte de indivíduos disléxicos, quando comparados àpopulação normal.O Cérebro BilíngueComunicar-se, portanto, parece pertencer ao acervo biológico do homem, herdadogeneticamente de nossos ancestrais; em nossa espécie, há um instinto para odesenvolvimento da linguagem – apesar dos possíveis problemas ou deficiências nodecorrer do percurso. E quanto à comunicação em duas línguas? Como está preparado onosso cérebro para aprender dois ou mais idiomas, e processá-los a nível neural? Existempopulações neurais específicas para cada idioma, ou que se complementam noprocessamento de mais de um idioma? Aqui, devido à modularidade cerebral - já conhecidanão apenas para diferentes funções cognitivas do ser humano (como memória, motricidade,visão, olfato), mas também para diferentes características linguísticas, temos novamenteque discernir entre as várias habilidades envolvidas também na comunicação bilíngue:percepção de fonemas estrangeiros, aquisição de um léxico e de estruturas próprias dalíngua em questão, articulação da fala e compreensão auditiva a uma velocidade adequadapara interação com nativos daquela língua, entre outras.Experimentos em eletrofisiologia têm privilegiado as questões linguísticas queenvolvem aquisição e uso do léxico e da gramática em uma ou mais línguas (Perani &Abutalebi, 2005), enquanto outros se propuseram a abordar a percepção fonêmica,destacando-se entre estes Kuhl (2000), Stager & Werker (1997) e Rivera-Gaxola . (2001),apontando para padrões de organização neural no córtex auditivo primário de crianças eadultos.A plasticidade neural particularmente em crianças é algo notável e aceito tantopela comunidade científica como pela sociedade leiga em geral, a qual percebe a facilidade
  • 192. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 184 Julho/2010e velocidade de aprendizado de novas tarefas – em especial, a aquisição de outro idioma.Mehler e Christophe (2000) sugerem que recém-nascidos já discriminam entre dois idiomasestrangeiros, ao passo que, curiosamente, bebês aos dois meses de idade não o fazemmais. Isso parece indicar haver um período ótimo para esta percepção, após o qual eladeixa de existir. Ainda assim, percebe-se que a facilidade em aprender uma outra língua (ochamado período crítico) continua até aproximadamente quando se inicia a puberdade(Stromsworld, 2000), caracterizando ao longo do desenvolvimento infantil algumas janelasde oportunidade - períodos em que a aquisição de habilidades específicas seriamfavorecidas por fatores genéticos, hormonais e de plasticidade neural. Os primeiros estudosutilizando-se de indivíduos bilíngues demonstraram que adultos que haviam aprendido duaslínguas simultaneamente na infância apresentaram uma região em comum paraprocessamento de ambas as línguas, ao passo que aqueles adultos que haviam aprendidoduas línguas em momentos distintos de sua vida apresentavam regiões corticais tambémdistintas quando utilizando cada um dos idiomas (Fig. 3):Figura 3 – Resultados de fMRI mostrando centros de ativação da linguagem para a fala em doisidiomas, em dois indivíduos adultos, sendo o da esquerda uma situação de aprendizado tardio doidioma, e o da direita, de aprendizado simultâneo de duas línguas. Retirado de Kim , 1997.Outro importante estudo neste campo provou que não somente a idade, mastambém o nível de proficiência (ou domínio) do idioma influi na representação cerebral.Estudos com fMRI encontraram maior densidade de massa cinzenta na região temporo-parietal esquerda do cérebro daquelas pessoas que haviam aprendido mais precocementeduas línguas e que possuíam maior grau de proficiência. (Mechelli, 2004). Isto equivale adizer que quanto mais cedo alguém é exposto a um idioma estrangeiro, maior a quantidadede conexões entre neurônios naquela região cerebral específica envolvida noprocessamento daqueles idiomas.De fato, tomado de um ponto de vista neurobiológico, nascemos prontos paraaprender qualquer idioma. Uma criança que nasce na Coréia vai aprender coreano tão bemquanto uma criança que aprende italiano por ter nascido na Itália, embora estas duaslínguas possuam sotaques e alguns sons de vogais e consoantes próprios, diferentes entre
  • 193. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 185elas. Nosso cérebro, nos primeiros anos da infância, não faz distinção entre japonês einglês, português e alemão, ou quaisquer outras línguas entre si. É somente após algunsmeses de vida que nosso sistema nervoso central começa a privilegiar os sons maisfreqüentes ao nosso meio, e por consequência, a não mais reconhecer fonemasestrangeiros que não fazem parte do sistema de sons a que a criança está sendo exposta(Fig. 4). Daí vem a dificuldade que muitos adultos encontram em, primeiro, perceberauditivamente e, depois, em pronunciar determinados fonemas estrangeiros – como naspalavras bad e bed, em inglês, para os brasileiros, ou como nas palavras avô e avó, emportuguês, para os povos de língua espanhola.Conclusão e PerspectivasO campo da neurociência se abre cada vez mais para estudos da linguagem.Processos que envolvem desde a aquisição de uma língua, passando pelo seuprocessamento, distúrbios, anomalias, codificação gênica, representação mental, echegando até o fenômeno do bilinguismo, todos ainda reservam perguntas que têm ajudadoem nossa construção do conhecimento acerca desta fascinante área.Podemos apontar como perspectivas para o futuro algumas linhas de estudo: Interação entre linguagem e sistemas de memória; Ontogenia, prevenção e reabilitação de afasias e dislexias; Melhor compreensão do papel de estruturas subcorticais no processamento linguístico; Organização do léxico de duas ou mais línguas na memória;Neurofisiologia da aquisição e processamento de duas ou mais línguas em diferentes idadese níveis de proficiência.Figura 4 – Linha dotempo para percepçãode sons da fala embebês, de 0 a 12 mesesde idade. Retirado deKuhl, 2004.
  • 194. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 186 Julho/2010
  • 195. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 187Neurofisiologia da músicaFelipe Viegas RodriguesLaboratório de Neurociência e Comportamentorodrigues.fv@gmail.comIntroduçãoA música é uma forma de arte e expressão humana presente mundialmente(Hauser e McDermott, 2003; Gray e col., 2001; Tramo, 2001), irrestrito a gênero, classesocial, língua ou idade. Freqüentemente tratada apenas como uma manifestação cultural,um alvo de pesquisa “não-essencial” (Zatorre, 2003), essa distribuição global gera indíciosde que a música é mais do que isso. Ainda assim, não há uma explicação clara econsensual de suas vantagens adaptativas (Pinker, 1998).A física por trás da músicaA grande maioria dos sons encontrados na natureza, senão todos, assim comonotas musicais, são complexos, formados pela composição espectral de ondas senoidais(isto é, por mais de uma freqüência). A composição de várias ondas produz um som muitoespecífico, que carrega uma “assinatura sônica” do corpo que a produz. É o seu timbre.Se tal som tem período definido (chamado som musical) ele possuirá umafreqüência fundamental, igual à freqüência da senoidal de menor comprimento de onda nacomposição espectral. As outras ondas envolvidas naquela composição são chamadas deharmônicos e são múltiplos da freqüência fundamental. É justamente a composiçãoespectral de seus harmônicos que dá a cada som seu timbre. A uma composição qualquer édado o nome série harmônica.Notas musicais são uma classificação subjetiva de freqüências sonoras ao longodo nosso espectro de audição. Elas estão baseadas em uma tonalidade, a qual é umatributo perceptual do som, o que se contrapõe à freqüência, que é um atributo físico(Bendor e Wang, 2006). É por isso que nem todos os povos utilizam o mesmo Sistema deAfinação para compor suas notas musicais (ver Porres, 2007), isto é, diferentes culturasutilizam em suas músicas diferentes instrumentos musicais com diferentes conjuntos denotas musicais.Apesar das diferenças interculturais, há algumas particularidades nos sistemas deafinação; uma característica sempre presente, independente do sistema de afinaçãoutilizado é a repetição de notas ao longo do espectro de audição, isto é, por mais queescutemos sons distintos, um mais grave e outro mais agudo, eles ainda soam muitosemelhantes (e são considerados a mesma nota musical). Portanto, ao longo do espectro deaudição, temos um determinado conjunto de notas (definido de acordo com o sistema de
  • 196. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 188 Julho/2010afinação utilizado) se repetindo em intervalos regulares. A esse fenômeno dá-se o nomeoitavas musicais. É possível explicar neurofisiologicamente esse fenômeno.Base dos mecanismos neurais da música em humanosAlém do arranjo já descrito no primeiro capítulo deste módulo, temos populaçõesde neurônios específicas para a percepção de freqüências fundamentais. Bendor e Wang(2005), estudando o córtex de sagüis, encontraram em A1 neurônios capazes de dispararpotenciais de ação não apenas para um único som complexo, mas também para seusmúltiplos. Exemplificando: a mesma população de neurônios que dispara para sons comfreqüência fundamental de 440 Hz, dispara também para sons com fundamental em 110,220, 880, 1.760, 3.520 Hz e etc. Uma dada população pode disparar inclusive na ausênciada freqüência fundamental, quando apenas os outros harmônicos da composição espectraldaquele som estão presentes.Essa descoberta colabora para o entendimento de como o sistema nervosoprocessa informações para a percepção de timbre, conceito, que apesar da extremarelevância (bebês recém-nascidos são capazes de reconhecer o timbre da voz de suasmães) (Trehub e Hannon, 2006), ainda não tinha o mecanismo fisiológico que o descreviacompletamente compreendido. É o disparo dessas populações de neurônios que permiteque nós associemos vozes diferentes (devido ao espectro de frequências específico dascordas vocais de cada pessoa) como semelhantes, quando a fundamental envolvida é amesma: tais neurônios disparam para sinalizar essa fundamental.Estes mecanismos perceptuais nos mostram dois fatos importantes: (1) apercepção de tons musicais está na base do mecanismo fisiológico que propicia a audiçãoem humanos (e, provavelmente, também em outros organismos); (2) fazemos aclassificação de notas musicais de acordo com aquilo que nosso cérebro está apto aperceber e não por pura subjetividade. Convencionamos chamar todo som com freqüênciafundamental de 440 Hz de “Lá”. Mas também assim chamamos seus múltiplos (as oitavas)porque temos uma mesma população de neurônios disparando potenciais de ação paratodos eles, em última instância, fornecendo ao ouvinte a percepção de tais sons são iguaisem alturas diferentes.Música para quê?Os mecanismos anteriormente descritos, no entanto, não justificam por si só aexistência de música globalmente. Enfim, para que existe música? Há vantagens evolutivasnela? Diversos autores já tentaram responder a essa pergunta (Gess, 2007; Masataka,2007; Hauser e McDermott, 2003; Benítez-Bribiesca, 2001; Gray e col., 2001; Tramo, 2001;
  • 197. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 189Wright e col., 2000; Pinker, 1998; Clark, 1879, Darwin, 1874; para citar alguns) e não háconsenso nas respostas.O autor Steven Pinker estabelece uma proposta bem abrangente, baseada emseis pontos principais, para tentar responder à questão. Ele ousa dizer: “Eu suspeito que amúsica seja um ‘bolo de queijo’ auditivo, uma confecção rara artesanalmente construídapara agradar os pontos sensíveis de pelo menos seis de nossas faculdades mentais”(Pinker, 1998 - pág. 534). O primeiro aspecto levantado por Pinker é a própria fala. O autordefende que a letra presente nas músicas faz com que ela ative circuitos neurais“emprestados”, em particular, da prosódia. Achados mais recentes, relacionando música elinguagem, serão apresentados mais adiante neste texto.O segundo aspecto refere-se ao circuito neural relacionado à análise auditiva doambiente. Pinker compara a audição à visão, dizendo que assim como recebemos umasérie de estímulos luminosos que precisam ser diferenciados e separados (uma pessoa deum fundo de árvores, por exemplo), precisamos distinguir os diversos estímulos sonoros quenos são apresentados, por exemplo, separar um solista de uma orquestra, uma voz em umambiente cheio de ruídos, uma vocalização animal em meio a uma floresta cheia de ruídos.O autor defende que nosso ouvido detecta cada freqüência e envia cada uma delas aosistema nervoso, que as associa, percebendo-as como um tom complexo.“Presumivelmente o cérebro as associa para construir nossa percepção da realidade dosom” – pág. 535. Isto é, a interpretação em tons complexos provavelmente se dá pelo fatode que sons naturais não ocorrem em freqüências puras, mas como tons complexos; logo, osistema nervoso associa novamente as diferentes freqüências que constituem um somoriundo de um mesmo ponto no espaço e ao mesmo tempo porque são, em verdade, umamesma fonte sonora. Nesse sentido, “melodias são agradáveis ao ouvido pela mesma razãoque linhas simétricas, regulares, paralelas ou repetitivas são agradáveis aos olhos”. Osistema nervoso, então, se utiliza desse circuito neural para fazer a interpretação dasmelodias e harmonias presentes na música.O terceiro aspecto defendido por Pinker é a emoção trazida pela música.Baseando-se na sugestão de Darwin de que a música surgiu no homem devido àschamadas de acasalamento de nossos ancestrais, o autor defende que uma série de“chamadas emocionais” (como murmurar, chorar, rir, resmungar, gritar) tem um apeloacústico próprio; “é provável que melodias evoquem fortes emoções porque sua estruturaassemelha-se a chamadas emocionais de nossa espécie”. A música, então, traria diversossentimentos à tona semelhantemente a essas expressões emocionais. É interessante notarque, segundo tal proposta de Darwin, a música poderia ser até anterior à fala.Outro aspecto apontado por Pinker é a seleção de habitat. Fazendo mais umacomparação entre o campo visual e auditivo, o autor ressalta que prestamos atenção a uma
  • 198. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 190 Julho/2010série de características visuais que sinalizam segurança, insegurança ou mudança dehabitat, como vistas distantes, paisagens verdejantes, nuvens (que trazem chuva) ou pôr-do-sol. Ele então escreve:“Talvez nós também prestemos atenção a características do mundoauditivo que sinalizem segurança, insegurança ou mudança de habitat. Trovões,ventos, água correndo, pássaros cantando, rosnados, passos, corações e galhosbatendo, todos têm efeitos emocionais, presumivelmente porque eles revelameventos dignos de atenção no mundo” - pág. 537.A música também interferiria com tais circuitos neurais, de tal forma que ela alteranossas emoções e nossa noção de segurança ou insegurança.O quinto aspecto ressaltado por Pinker é o controle motor. O ritmo é umcomponente universal da música e até mesmo único em algumas culturas. Tal ritmicidadeque nos faz dançar, bater palmas, balançar, e acompanhar a música, certamente estimulanosso sistema motor.O último aspecto defendido pelo autor é um “algo a mais” sem explicaçãoconhecida e que ele coloca como sendo, possivelmente, desde um acidente dofuncionamento conjunto de diversos circuitos neurais até uma ressonância entre disparosneuronais e ondas sonoras.As sobreposições entre música e linguagem vão muito além do relatado porPinker (1998) em seu livro. Patel (2003a) faz uma revisão da sobreposição existente noprocessamento da sintaxe. Música também possui sintaxe e circuitos neurais que fazem oprocessamento dessa característica musical parecem ser os mesmos utilizados para a fala.A evidência vem de ambos os processos gerarem um potencial evocado P600,significativamente indistinto em amplitude e distribuição no escalpo, após a apresentação desentenças verbais ou seqüências de acordes musicais com incongruências de sintaxe(baseadas em regras de estrutura verbal para os estímulos verbais e regras harmônicaspara os estímulos sonoros). O processamento sintático ocorre em regiões do lobo frontalanterior.Koelsch e col. (2004) testaram a capacidade da música para representarsignificados. Eles apresentaram palavras aleatórias a voluntários após eles terem ouvido ouuma frase ou um trecho musical (apenas instrumental). Um eletroencefalograma comregistro de potenciais evocados mostrou a expressão de um componente N400 para aapresentação de palavras não relacionadas ao estímulo inicial, independente deste ser umafrase ou um trecho musical, o qual não variou em latência, distribuição no escalpo, fontesneurais e amplitude. O componente N400 já havia sido descrito em experimentos desemântica, aparecendo após a apresentação de palavras não relacionadas com o contexto
  • 199. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 191prévio. Diante dos resultados, os autores concluíram que “a música pode não apenasinfluenciar o processamento de palavras, mas ela pode também pré-ativar representaçõesde conceitos, sejam eles abstratos ou concretos, independente do conteúdo emocionaldesses conceitos”; em outras palavras, assim como a linguagem, a música pode facilitar acompreensão de significados (em palavras e, provavelmente, também contextos).Há ainda mais: paralelos entre a rítmica da linguagem e a da música (Patel,2003b). A análise do ritmo da linguagem e da música em subcomponentes e a comparaçãoentre os domínios revelam que o agrupamento rítmico é semelhante na linguagem e namúsica, mas não sua estrutura periódica (que é mais organizada na música). Novasevidências ainda sugerem que a rítmica de linguagem de uma cultura deixa impressões nasua rítmica musical. Isto é, diferenças na rítmica da linguagem refletem-se na rítmicamusical nas diferentes culturas. Esses achados reforçam a noção de que a música possuitanto sintaxe quanto semântica e seja, possivelmente, como a linguagem, relativamenteinerente ao homem e não um simples produto da cultura. Novos estudos transculturaispermitirão afirmar se essas evidências se confirmam.Fica claro, portanto, que a música tem estreitas e importantes relações com ofuncionamento de diversos circuitos neurais. Estes não foram selecionados por vantagensadaptativas trazidas pela música, mas permitem, em última instância, sua criação epercepção. A própria capacidade de discriminação de timbres seguramente não é produtoda necessidade de reconhecimento de diferentes instrumentos musicais. O reconhecimentode sons complexos com freqüência fundamental definida é importante também paradiferenciar diferentes vocalizações de animais na natureza, além da própria comunicaçãoentre indivíduos; eles seriam uma boa indicação para distinguir as vocalizações de ruídos defundo (Zatorre, 2005). As tonalidades e o timbre certamente serviriam também àidentificação de vozes (lembrem-se dos bebês reconhecendo a voz da mãe). A percepçãode sons complexos evoluiu ao ponto de tornar a percepção de dois sons muito consonantescomo iguais, não só em humanos (Wright e col., 2000). Essa percepção, provavelmente deuvantagem adaptativa aos seus possuidores. Qual ou quais vantagens é algo ainda incerto.(Pinker, 1998).Origens da musicalidadeSe de fato a música tem envolvimento com tantos circuitos neurais, essapropriedade não pode ser uma exclusividade apenas da espécie humana, mas deve estarpresente no cérebro de outros animais também. A capacidade para interpretar música, deuma forma diferente de outros sons quaisquer (também chamados sons não musicais) ou,até mesmo, produzi-la, deve estar presente pelo menos em outras espécies de mamíferos.O primeiro grupo lembrado quando se fala de música em animais, no entanto, são
  • 200. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 192 Julho/2010os pássaros. Desde o século retrasado (Clark, 1879) tal grupo é investigado. As razões sãoóbvias, percebidas por qualquer pessoa que já tenha entrado em contato com a natureza (eescutado o som dos pássaros). Estudos recentes sobre o assunto (Baptista e keister, 2000)apontam semelhanças entre a melodia do canto dos pássaros e as melodias produzidaspelo homem. Segundo os autores, os pássaros “frequentemente usam as mesmasvariações rítmicas, relações tonais, permutações e combinações de notas que oscompositores humanos”. Detalhes presentes nas músicas produzidas pelo homem sãotambém notadas nas melodias usadas pelos pássaros, como inversões de intervalo,relações harmônicas simples e retenção de uma determinada melodia com a troca deregistro (tonalidade) usado. O caso mais atípico e impressionante, talvez, seja da espécieProbosciger aterrimus, a Cacatua-Negra, uma espécie de papagaio do extremo norte daAustrália e Nova Guiné, que molda gravetos para que se assemelhem a baquetas (debateria) e batucam em diversos troncos até que achem um com ressonância agradável e,então, o utilizam para produzir sons como parte de seu ritual de acasalamento.Mas voltando aos mamíferos, Wright e col. (2000), trabalhando com macacos-rhesus, mostraram que os mesmos são capazes de reconhecer como semelhantes melodiasidênticas tocadas em oitavas diferentes, mas não em tons diferentes. Ainda, talreconhecimento positivo aconteceu para melodias tonais, mas não para melodias atonais.Estes resultados são consistentes com o achado de Bendor e Wang (2005), já descrito. Oexperimento de Wright e colegas, porém, pode ter sido afetado pela exposição prévia dosanimais a música. Freqüentemente tais animais ficam em ambientes com televisões ligadaspara os mesmos (Hauser e McDermott, 2003), portanto, expostos a música e melodiasdiversas.É provável que o caso mais conhecido e consistente de musicalidade nosmamíferos esteja nas baleias-jubarte (Megaptera novaeangliae). Há décadas que seconhece o “canto” dessas baleias e estudos recentes (Payne, 2000) também apontam parasemelhanças estreitas com as regras de construção musical utilizadas pelo homem. Adespeito de poderem produzir sons sem ritmicidade ou tonalidade, as baleias optam porproduzir sons rítmicos, de forma semelhante a composições humanas e com tonalidadedefinida. Mais do que isso:- O canto produzido por elas é composto de fraseados de tamanho semelhante àsfrases na música composta por homens e, assim como nós, elas exploram diversosfraseados dentro de um mesmo tema antes de partir para um tema diferente. Da mesmaforma, são freqüentes composições que exploram um tema, partem para uma seção maiselaborada e, depois, retornam ao tema inicial (semelhante ao nosso formato de composição:estrofe – refrão – estrofe);- O tamanho total de um canto (uma música?) assemelha-se ao tamanho médio
  • 201. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 193de músicas produzidas pelo homem, possivelmente pelo fato de que o tamanho de seucórtex permite uma capacidade atencional semelhante à nossa;- Ainda que elas tenham uma extensão tonal que alcança sete oitavas musicais,as baleias preferem compor músicas com intervalo entre notas também semelhantes àsnossas composições (que raramente explora toda essa extensão em uma únicacomposição);- Elementos percussivos são incorporados à música e intercalados com tonspuros numa taxa semelhante àquela encontrada em composições humanas;- Algumas repetições encontradas são semelhantes a rimas, indicando que asbaleias possam usar desse artefato tanto quanto os humanos usam: um recurso mnemônicopara lembrar-se de composições complexas.Tantos elementos comuns entre os sons musicais produzidos por essas diferentesespécies apontam para o fato de que a música não possa ser apenas um produto culturalhumano. Nas palavras de Gray e col., 2001:“O fato de que a música das baleias e dos homens tem tanto em comum, mesmocom nossos caminhos evolucionários não tendo se cruzado em 60 milhões deanos, sugere que a música deve ‘predar’ os humanos, ao invés de sermos osinventores dela. Nós somos adeptos tardios do ambiente musical.” – pág. 53Tais indícios de produção musical em outras espécies animais reforçam a idéia deque as raízes da musicalidade devem residir em outros fatores que não a cultura humana.Talvez uma conseqüência natural da interação entre as freqüências sonoras, que causasons mais ou menos desagradáveis ao encéfalo dependendo das freqüências envolvidas.De fato, as notas utilizadas no sistema de afinação da música ocidental, e em grande partedo mundo, são derivadas da Série Harmônica (verhttp://www.phy.mtu.edu/~suits/overtone.html para maiores detalhes), com as escalasmusicais sendo construídas com base nas interações entre notas de maior consonância.Sons musicais chamados de dissonantes causam um fenômeno chamado batimento,relatado como desagradável pela grande maioria das pessoas e que são freqüentementeutilizados na música para gerar sensações de suspense e tensão. Ainda, sons dissonantesapresentados a bebês de apenas quatro meses causam afastamento da fonte sonora,expressões faciais fechadas e até choro, enquanto que sons consonantes os fazem virar-separa a fonte sonora e freqüentemente sorrirem (Trainor e Heinmiller, 1998). Dado querecém-nascidos não tem conhecimento algum de escalas musicais, é improvável que taisrespostas emocionais à música acontecem nestes da mesma forma que elas acontecemnos adultos. É então plausível que a própria física da interação de freqüências induza apercepção daquilo que é agradável ou desagradável e permita a produção ou
  • 202. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 194 Julho/2010reconhecimento de sons musicais mesmo em espécies que não o homem.Apesar de tantas evidências, a falta de consenso entre pesquisadores sobre amusicalidade em outras espécies animais permanece. As críticas são freqüentementeembasadas no fato dos cantos serem essencialmente produzidos por machos, como partedo ritual de acasalamento. Ainda assim, tal uso não invalida que elas sejam capazes deproduzir sons musicais e que a estrutura das “músicas” produzidas seja semelhante àhumana. Muito pelo contrário, a organização musical semelhante entre diferentes espéciesnos mostra que ela não é um acidente, mas uma propriedade específica do sistema nervosocentral, que caminha em estreitas relações com a comunicação intra-específica e a seleçãosexual.É possível que a origem da musicalidade de humanos resida nestes mesmos mecanismos(de seleção sexual), como apontado por Darwin. Mais provável ainda que sua existência seapóie em diversos fatores e não apenas em um deles, uma propriedade emergente dainteração de diversos sistemas, como apontado por Pinker (1998). Independente dosmotivos pelos quais a música se originou no homem, seguramente os motivos pelos quaisela permanece são outros (a não ser que ela já tenha se originado por esses outros motivos,claro – improvável quando se compara com outros grupos). Na espécie humana, a músicaadquire outros significados muito mais fortes como promover a coesão de grupo e ainteração social (podendo até possuir a mesma capacidade de abstração e atribuição designificados que a linguagem, como apontado por Koelsch e col., 2004). Se há algo deexclusivo entre homem e música, isso parece ser a produção e a apreciação da mesma porpuro prazer.BibliografiaArendt, D., Wittbrodt, J. (2001). Reconstructing the eyes of Urbilateria. Phil.Trans. Roy. Soc. Lond. B356: 1545-1563.Arendt. D. (2003) Evolution of eyes and photoreceptor cell types Int. J. Dev. Biol. 47: 563-571Autuori, M. (1940) Algumas observações sobre formigas cultivadoras de fungo (Hym. Formicidae).Revista de Entomologia, v.11.Autuori, M. (1941) Contribuição para o conhecimento da saúva (Atta spp.). I. Evolução do sauveiro(Atta sexdens rubropilosa Forel, 1908). Arquivos do Instituto Biológico São Paulo, v.12, p.197-228.Autuori, M. (1942) Contribuição para o conhecimento da saúva (Atta spp.-Hymenoptera-Formicidae).III. Escavação de um sauveiro (Atta sexdens rubropilosa Forel, 1908). Arquivos do InstitutoBiológico São Paulo, v.13, p.137-148.Baddeley AD, Hitch G. 1974. Working memory. In The Psychology of Learning and Motivation, vol. 8,ed. Bower GA. New York: Academic Press, pp.47-89.
  • 203. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 195Baddeley AD. (2000). The episodic buffer: a new component of working memory? Trends in CognitiveSciences v. 4 pp. 417-423.Baldo, M. V. C. (2009) Bases Neurais da Percepção e Ação. In: Joaquim Procópio de Araújo Filho;Rui Curi. (Org.). Fisiologia. 1 ed. Guanabara-Koogan, Rio de Janeiro.Bargary, G. e Mitchell, K. J. (2008) Synaesthesia and cortical connectivity. Trends in Neuroscience.Vol. 31, nº 07, pp. 335-342.Bear MF, Connors BW & Paradiso MA (2002). Neurociências – Desvendando o Sistema Nervoso,2ed. Artmed Editora: Porto Alegre .Bear, M. F.; Connors, B. W. e Paradiso, M. A. (1996) Neuroscience: exploring the brain. Ed. Williams& Wilkins. Baltimore, MD. 666 pp.Bendor, D. e Wang, X. (2005) The neuronal representation of pitch in primate auditory cortex. Nature.Vol. 436, pp. 1161-1165.Bosch, L, Sebastián-Gallés, N., (2003). Simultaneous Bilingualism and the Perception of a Language-Specific Vowel Contrast in the First Year of Life. Language and Speech 46 (2-3), 217-243.Brunia C.H.M. Neural aspects of anticipatory behavior. Acta Psychologica v.101 p. 213 - 242, 1999.Buzzetti, D. (2004) Nurturing new life Ed. Terceiro nome.Callan, D., Tajima, K., Callan, A., Kubo, R., Masaki, S., Akahane-Yamada, R., (2003). Learning-induced neural plasticity associated with improved identification performance after training of adifficult second-language phonetic contrast. Neuroimage 19, 113-124.Campos A., Santos A. M. G. e Gilberto F. Xavier G.F., (1997). A consciência como fruto da evolução edo funcionamento do sistema nervoso. Psicologia USP, v.8, n.2, pp.181- 226.Carlson, N. R. (2004) Foundations of physiological psychology. Ed. Allyn & Bacon, Boston, MA. 592pp.Casagrande, V. A.; Khaytin, I. e Boyd, J. (2006) The evolution of parallel visual pathways in the brainsof primates. In: Kaas, J. H. (2006) Evolution of nervous systems – a comprehensive reference.Ed. Academic Press, New York, NY. 2.000 pp.Catania, K.C. (2006) Epigenetic Responses to a Changing Periphery – Wagging the Dog. In: Kaas, J.H. (2006) Evolution of nervous systems – a comprehensive reference. Ed. Academic Press,New York, NY. 2.000 pp.Cohen NJ. 1984. Preserved learning capacity in amnesia: evidence for multiple memory systems. InThe Neuropsychology of Memory, eds. Squire LR, Butters N. Guilford Press: New York, pp. 83-103.Cohen, N. J. and H. Eichenbaum (1993). Memory, Amnesia and the Hippocampal System. MIT Press,Cambridge, MA.Consenza, R. M. (2002).Espíritos, cérebros e mentes. A evolução histórica dos conceitos sobre amente. Revista cérebro e Mente. Disponível em:www.cerebromente.org.br. Acesso em: 08 maio2010.
  • 204. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 196 Julho/2010Cronin, T.W. (2006) Evolution of Color Vision and Visual Pigments in Invertebrates. In: Kaas, J. H.(2006) Evolution of nervous systems – a comprehensive reference. Ed. Academic Press, NewYork, NY. 2.000 pp.Damasio H.; Grabowski T.; Frank R., Galaburda A.M.; Damasio A.R. (1994.) The return of PhineasGage: clues about the brain from the skull of a famous patient. Science, v.264, p.1102-1105,Darwin, C.. (1872) The expression of the emotions in man and animals. Chicago: University ofChicago Press (1965).Eckert, R. (1983) Animal physiology – mechanisms and adaptations. Ed. W. H. Freeman andCompany New York, NY. 2nd ed. 830 pp.Eichenbaum, H., C. Stewart, R. G. Morris (1990). "Hippocampal representation in place learning." JNeurosci 10(11): 3531-42.Einevoll, G. T., T. Solstad, E. I. Moser (2006). From grid cells to place cells: a mathematical model.Hippocampus 16:1021-1031.Ekstrom, A. D., M. J. Kahana, J. B. Caplan, T. A. Fields, E. A. Isham, E. L. Newman and I. Fried(2003). "Cellular networks underlying human spatial navigation." Nature 425(6954): 184-8.Fernald,R.D, (2000) Evolution of Eye. Current Opinion in Neurobiology 10:444-450Freake, M.J.; Muheim, R. e Phillips, J.B. (2006) Magnetic maps in animals: a theory comes of age?The Quarterly Review of Biology 81(4):327-347.Furuya, Y., Hori, E., Tran, H., Shimada, Y., Ono, T. and Nishijo, H. (2007). Place-related neuronalactivity during virtual navigation in the monkey parahippocampal gyrus and hippocampalformation. Society for Neuroscience Abstracts 22:638.Fuster, J. (2004). Upper processing stages of the perception–action cycle. Trends in CognitiveSciences, Vol.8 No.4, pp 143-145.Fuster, J. (2006) The cognit: A network model of cortical representation. International Journal ofPsychophysiology 60 (2), pp. 125-132.Fyhn, M., S. Molden, M. P. Witter, E. Moser, M. Moser (2004). Spatial representation in the entorhinalcortex. Science 305:1258-64.Gallistel, C. R. (1980). The Organization of Learning. MIT Press, Cambridge, MA.Gazzaniga, M. S.; Ivry, R. B.; Mangun, G. R. (2006) Neurociência cognitiva: a biologia da mente. 2ª.edição. Porto Alegre: Artmed.Gehring, W., Rosbash, M. (2003). The co-evolution of blue-light photoreception and circadian rhythms.J Mol Evol 57,Gehring, W.J., Ikeo, K. (1999). Pax 6: mastering eye morphogenesis and eye evolution. TrendsGenet. 15: 371-7.Ghaem, O., E. Mellet, F. Crivello, N. Tzourio, B. Mazoyer, A. Berthoz and M. Denis, (1997). "Mentalnavigation along memorized routes activates the hippocampus, precuneus, and insula."Neuroreport 8(3): 739-44.
  • 205. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 197Gilbertson, T. A., Fontenot, D. T., Liu, L., Zhang, H., Monroe, W. T. (1997) Fatty acid modulation of K+channels in taste receptor cells: gustatory cues for dietary fat. Am J Physiol. 272(4 Pt 1) apudCarlson, N. R. (2004) Foundations of physiological psychology. Ed. Allyn & Bacon, Boston, MA.592 pp.Gold PE., W Farrell e RA King (1971). Retrograde amnesia after localized brain shock in passive-avoidance learning. Physiology & Behavior, v.7, n.5, pp.709-712.Graf, W. M. (2006) Vestibular system. In: Kaas, J. H. (2006) Evolution of nervous systems – acomprehensive reference. Ed. Academic Press, New York, NY. 2.000 pp.Guillemot, F., Gruss, P. (2001). Pax6 is required for the multipotent state of retinal progenitor cells.Cell 105: 43-55.Halder.G.,Callaerts.P.,Gehing.W.J., (1995) New perspectives on eye evolution. Current Opinion inGenetics & Development, 5:602-609Hebb, D.O. (1949) The organization of behavior, New York: Wiley.Helene, A. F. e Xavier, G. F. (2007) Memória e (a Elaboração da) Percepção, Imaginação,Inconsciente e Consciência. In: Landeira-Fernadez, J. e Silva, M. T. A. (orgs). Intersecçõesentre psicologia e neurociências, 1ª edição. MedBook, Rio de Janeiro, pp. 103-148.Hori, E., Y. Nishio, Kazui, H., Umeno, K., Tabuchi, E., Sasaki, K., Endo, S., Ono, T., Nishijo, H. (2005)."Place-related neural responses in the monkey hippocampal formation in a virtual space."Hippocampus 15(8): 991-6.Jang, C.C., Chao, J.L., Jones, N., Yao, L.C., Bessarab, D.A., Kuo, Y.M., Jun, S., Desplan, C.,Beckendorf, S.K.,Sun, Y.H. (2003). Two Pax genes, eye gone and eyeless, act cooperatively inpromoting Drosophila eye development.Jones, B. & Mishkin, M. (1972) Limbic lesions and the problem of stimulus-reinforcement associations.Experimental Neurology, v.36, p.362-377.Kandel, E. et. al (2003). Princípios da Neurociência. Marueri, SãoPaulo: Manole, 2003.Kandel, E. R.; Schwartz, J. H. e Jessell, T. M. (2000) Principles of neural science. 4º ed. Ed. McGraw-Hill Companies. New York, NY. 1414 pp.Kim, K.H.S., Relkin, N. R., Lee, K., Hirsch, J., (1997). Distinct cortical areas associated with native andsecond languages. Nature 388, 171-174.Klüver, H. & Bucy, P.C. (1939) Preliminary analysis of functions of the temporal lobes in monkeys.Archives of Neurology and Psychiatry, v.42, p.979-1000.Kolb, B. (2006) Do all mammals have a prefrontal cortex? In: Kaas, J. H. (editor) (2006) Evolution ofnervous systems – a comprehensive reference. Ed. Academic Press, New York, NY. 2.000 pp.Kristensen, C.H. et al. (2001). Desenvolvimento Histórico e fundamentos metodológicos daneuropsicologia cognitiva.Psicologia reflexão e crítica, 2001, 14(2), pp. 259-274Kuhl, P. K., (2000). A new view of language acquisition. Proceedings of the National Academy ofScience 97, 11850-11857.
  • 206. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 198 Julho/2010Land Mf, Fernald Rd (1992): The evolution of eyes. Annu Rev Neurosci, 15:1-29Lang, P. J.; Bradley, M. M.; Cuthbert, B. N. (1995) International Affective Picture System (IAPS):Technical manual and affective ratings (Tech. Rep. No. A-4). Gainesville: University of Florida,Center for Research in Psychophysiology.Lazarus, R. & Mccleary, R. (1951) Autonomic discrimination without awareness: a study of subception.Psychological Review, v.58, p.113-122.Lent, R. (2006) Cem bilhões de neurônios. Ed. Atheneu, Rio de Janeiro, RJ. 698 pp.Leonhard, C. L., R. W. Stackman, and J. S. Taube (1996). Head direction cells recorded from thelateral mammilary nuclei in rats. Society for Neuroscience Abstracts 22:1873.Lorenz K. (1981) Os Fundamentos da Etologia. Editora Unesp (tradução).Maguire, E. A., N. Burgess, R. S. J. Frackowiak, C. D. Frith and J. OKeefe (1998). "Knowing whereand getting there: a human navigation network." Science 280(5365): 921-4.Maguire, EA; Gadian DG, Johnsrude IS, Good CD, Ashburner J, Frackowiak RS, Frith CD (2000)."Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers". PNAS 97(8): 4398–403Malva, J. O. (2005) IBRO Brain Campaign. Neuroscience: Science of the Brain. Disponível emhttp://www.braincampaign.org, em 09/06/2009.Markus, E. J., C. A. barnes, B. L. McNaughton, V. L. Gladden, and W. E. Skaggs (1994). Spatialinformation content and reliability of hippocampal CA1 neurons: Effects of visual input.Hippocampus 4:410-421.Martins, Y., Preti, G., Crabtree, C. R., Runyan, T., Vainius, A. A., Wysock, C. W. (2005) Preference forhuman body odors is influenced by gender and sexual orientation Psychological Science16(9):694-701.Matsumura, N., H. Nishijo, R. Tamura, S. Eifuku, S. Endo and T. Ono (1999). "Spatial- and task-dependent neuronal responses during real and virtual translocation in the monkey hippocampalformation." J Neurosci 19(6): 2381-93.McNaughton, B. L., C. A. Barnes and J. O’Keefe (1983). "The contributions of position, direction, andvelocity to single unit activity in the hippocampus of freely-moving rats." Exp Brain Res 52(1):41-9.McNaughton, B. L., F. P. Battaglia, O. Jensen, E. I. Moser, M. Moser (2006). Path integration and theneural basis of the ‘cognitive map’. Nature Reviews Neuroscience vol. 6: 663-78.McNaughton, B. L., J. J. Knierim, and M. A. Williams (1994). Vector encoding and the vestibularfoundations of spatial cognition: Neurophisiological and computational mechanisms. InGazzaniga, M., editor, The Cognitive Neurosciences, pp. 585-595. MIT Press, Cambridge, MA.Mechelli, A., Crinion, J. T., Noppeney, U., O’Doherty, J., Ashburner, J., Frackowiak, R. S., Price, C. J.,(2004). Structural plasticity in the bilingual brain. Nature 431, 757.Mehler, J., Christophe, A., (2000). Acquisition of languages: infant and adult data. In: Gazzaniga,Michael S. (Org.). (2000) The New Cognitive Neurosciences, 2. ed.. USA:The MIT Press.
  • 207. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 199Mizumori, S. J. Y. and J. D. Williams (1993). Directionally selective mnemonic properties of neurons inthe lateral dorsal nucleus of the thalamus of rats. Journal of Neuroscience 13(9): 4015-4028.Moreira, M. B. & Medeiros, C. A. (2007) Princípios básicos de análise do comportamento. PortoAlegre: Artmed.Morris, R. G. M. (1981). Spatial localization does not require the presence of local cues. Learning andMotivation. 12:239 – 260.Murphy, S. T. & Zajonc, R. B. (1993) Affect, cognition, and awareness: Affective priming with optimaland suboptimal stimulus exposures. Journal of Personality and Social Psychology, v. 64, p.723-739.Nishijo, H., T. Ono, S. Eifuku and R. Tamura (1997). "The relationship between monkey hippocampusplace-related neural activity and action in space." Neurosci Lett 226(1): 57-60.OKeefe, J. and Dostrovsky, J. (1971). "The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence fromunit activity in the freely-moving rat." Brain Res 34(1): 171-5.Olton, D. S., M. Branch and P. J. Best (1978). "Spatial correlates of hippocampal unit activity." ExpNeurol 58(3): 387-409.Ono, T., K. Nakamura, H. Nishijo and S. Eifuku (1993). "Monkey hippocampal neurons related tospatial and nonspatial functions." J Neurophysiol 70(4): 1516-29.Panksepp, J. (1998) Affective Neuroscience: The foundations of human and animal emotions. NewYork: Oxford University Press.Pavão R. (2009). Aprendizagem e Memória. Revista da Biologia, v.1 n.1 pp. 16-20.Perani and Abutalebi, (2005). The neural basis of first and second language processing. CurrentOpinion in Neurobiology, 15:202–206.Pichaud, F., Desplan, C. (2002). Pax genes and eye organogenesis. Curr. Opin. Genet. Dev. 12: 430-4.Pinker, S. (1995) The Language Instinct. USA: Penguin Books.Porter, R.H., Balogh, R.D., Cernoch, J.M., e Franchi, C. (1986). Recognition of kin throughcharacteristic body odors. Chemical Senses, 11:389–395 apud Martins, Y., Preti, G., Crabtree,C. R., Runyan, T., Vainius, A. A., Wysock, C. W. (2005) Preference for human body odors isinfluenced by gender and sexual orientation Psychological Science 16(9):694-701.Preuss, T. M. (2006) Primate brain evolution in phylogenetic context. In: Kaas, J. H. (editor) (2006)Evolution of nervous systems – a comprehensive reference. Ed. Academic Press, New York,NY. 2.000 pp.Prinz, W. (2005) An ideomotor approach of imitation. In: Susan Hurley e Nick Chater (Eds.),Perspectives on Imitation: From Neuroscience to Social Science, The MIT Press, Vol 1 pp 141-156.Ramachandram, V. (2003) The Future of Brain research, disponível em:http://www.cerebromente.org.br/n17/opinion/millenium.html 2003. Acesso em: 08 maio 2010
  • 208. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 200 Julho/2010Ramachandran, V.S. e Hubbard, E. M. (2003) The phenomenology of synaesthesia. Journal ofConsciousness Studies. Vol. 10, nº 08, pp. 49-57.Ramón y Cajal, S. (1968). The Structure of Ammon’s Horn. Translated by L. M. Kraft. Thomas,Springfield IL.Randall. D., Burggren.W., Fench.K., (1997) Eckert Animal Physiology Mechanisms and adaptations,4ª ed. Editora W.H. FREEMAN and Company.Redish, A. D. (1997). Beyond the cognitive map: Contributions to a computational neuroscience theoryof rodent navigation. Ph.D. diss., Carnegie Mellon University.Rivera-Gaxiola, M., Csibra, G., Johnson, M. H., Karmiloff-Smith, A., (2000). Electrophysiologicalcorrelates of cross-linguistic speech perception in native English speakers. Behavioral BrainResearch 111, 13-23.Rizzolatti G. e Craighero L. (2004). The mirror neuron system. Annual Review of Neuroscience,27:169-92.Rizzolatti G., Fogassi L., Gallese V, Fogassi L. (1996). Premotor cortex and the recognition of motoractions. Cognitive Brain Research, 3:131-41.Robert K, et al. (1961) Interspecific preening invitation display of parasitic cowbirds. A quarterly journalof ornithology.Rolls, E.T. (1992) Neurophysiology and functions of the primate amygdala. In: Aggleton, J.P. Theamygdala: neurobiological aspects of emotion, memory, and mental dysfunction. 1a. edição.New York: Wiley-Liss,. p.143-165.Sabbatini, R. M. E.(1997) Frenologia: A História da Localização Cerebral. Revista cérebro e mente.Disponível em: www.cerebromente.org.br. Acesso em: 08 maio 2010.Sackett, G. P. (1966) Monkeys reared in isolation with pictures as visual input: evidence for an innatereleasing mechanism. Science, v.154, p.1468-1473.Schoenbaum, G.; Saddoris, M.P.; Stalnaker, T.A.. (2007) Reconciling the roles of orbitofrontal cortexin reversal learning and the encoding of outcome expectancies. Annals of New York Academyof Science, v.1121, p.320-335.Scoville WB., B Milner (1957). Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesion. Journal ofNeurolog,. Neurosurgery and Psychiatry. v.20, pp. 11-21.Scoville, W. B. (1968). Amnesia after bilateral medial temporal lobe excision: introduction to case H.M. Neuropsychologia 6: 211-213.Sekuler, R. e Blake, R. (1994) Perception. McGraw-Hill Companies, 3 edição.Seung, H. S. (2000) Half a century of Hebb. Nature Neuroscience Supplement . (3), pp. 1166.Shaffer, K. (1892). Beitrag zur histology der Ammons Horn formation. Archiv für MikroscopischeAnatomie 39(1). Cited in Ramón y Cajal (1968).Shashoua V. (1985). The role of extracellular proteins in learning and memory. American Scientist, v.73, p. 364-370.
  • 209. NeurociênciasJulho/2010 Pág. 201Squire LR, Zola-Morgan S. (1991). The medial temporal lobe memory system. Science v. 253pp.1380-1386.Stager, C. L., Werker, J. F., (1997). Infants listen for more phonetic detail in speech perception than inword-learning tasks. Nature 388, 381-382.Steiner, J. E. & Glaser, D. (1995) Taste-induced facial expressions in apes and humans. HumanEvolution, v.10, p.97-105.Stromsworld, K. The cognitive neuroscience of Language Acquisition. In: Gazzaniga, Michael S.(Org.). The New Cognitive Neurosciences, 2. ed.. USA: The MIT Press, (2000).Taube, J. S. and R. U. Muller (1995). Head direction cell activity in the anterior thalamic nuclei, but notthe postsubiculum, predicts the animal’s future direction heading. Society for NeuroscienceAbstracts 21:946.Tinbergen, N. (1963) On Aims and Methods in Ethology. Zeitschrift für Tierpsychologie, v.20, p.410-433.Weiskrantz, L. (1956) Behavioral changes associated with ablation of the amygdaloid complex inmonkeys. Journal of Comparative Physiological Psychology, v.49, p.381-391.Weller, L. e Weller, A. (1995) Menstrual synchrony: agenda for future research.Psychoneuroendocrinology 20(4):377-383.Whishaw, I. Q. and G. Mittleman (1986). Visits to starts, routes, an places by rats (Rattus norvegicus).Journal of Comparative Physiology 100(4): 422-431.Wiener, S. I. (1996). "Spatial, behavioral and sensory correlates of hippocampal CA1 complex spikecell activity: implications for information processing functions." Prog Neurobiol 49(4): 335-61.Witter, M. P., H. J. Groenewegen, F. H. Lopes da Silva, and A. H. M., Lohman (1989). Functionalorganization of the extrinsic and intrinsic circuitry of the parahippocampal region. Progress inNeurobiology 33: 161-253.Xavier G.F. (1993). A modularidade da memória e o sistema nervoso. Psicologia USP v.4, pp. 61-115.Xavier G.F. (2004). Comunicação Pessoal, Aula Memória - Disciplina BIF211 – Ciências Biológicas –USP.
  • 210. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 202 Julho/2010
  • 211. Unidade 4MetabolismoAline Dal’Olio GomesLab. de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticoseniladal@gmail.comEntendemos como Metabolismo um conjunto de reações químicas quemantém um organismo vivo. Os processos metabólicos variam ajustando asrespostas dos animais tanto às suas necessidades endógenas quanto às mudançasambientais. Sendo assim, este módulo irá abordar as variações do metabolismoanimal decorrentes de diferentes fatores bióticos e abióticos com especial ênfase emmetabolismo energético e temperatura: 1) abordagem geral das definições queenvolvem o metabolismo energético, seguida da apresentação de como os fatoresabióticos influenciam o metabolismo usando como exemplo a temperatura; 2)técnicas de medida do metabolismo energético em diferentes condições fisiológicas,com especial atenção à técnica de respirometria; 3) a influência do metabolismo nosfenômenos comportamentais de vertebrados ectotérmicos frente às alterações datemperatura ambiental; 4) regulação da temperatura e metabolismo dos animaisendotérmicos e ajustes da febre e queda regulada da temperatura corpórearelacionada a depressão metabólica em vertebrados; 5) os fenômenos de depressãometabólica e dormência sazonal apresentados por animais de diferentes gruposcomo adaptação comportamental, fisiológica e bioquímica; 6) interação entremetabolismo energético e reprodução, importância dos lipídios nesse processo ecomo esses compostos podem variar em relação a dieta dos pais e às condições doambiente; 7) finalizamos o módulo procurando entender o efeito ecofisiológico datemperatura no metabolismo e como este pode ajudar a estabelecer os limitesambientais em vários processos fisiológicos dos indivíduos e, conseqüentemente, aviabilidade das populações, comunidades e ecossistemas, podendo atuar de ummodo ativo na conservação ambiental.
  • 212. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 204 Julho/2010Capítulo 19 Metabolismo e Temperatura: Conceitos e Implicações pág. 205Carlos Eduardo TolussiRevisado pela Dra. Renata Guimarães MoreiraCapítulo 20 Medindo a chama da vida pág. 217Tatiana Hideko KawamotoRevisado pela Dra. Silvia C. Ribeiro de SouzaCapítulo 21 Ectotermia: um acesso de baixo custo à vida pág. 235Jessyca Michele CitadiniRevisado pela Dr. Carlos Arturo NavasCapítulo 22 Termorregulação em endotérmicos: febre e anapirexia. “Ana” o quê?pág. 247Carolina da Silveira ScarpelliniRevisado pela Dra. Kênia BícegoCapítulo 23 Metabolismo energético em câmera lenta: mecanismos de depressãometabólica sazonal pág. 257Lilian Cristina da SilveiraRevisado pela Dra. Silvia C. Ribeiro de SouzaCapítulo 24 Custos e benefícios da reprodução: papel dos lipídios pág. 269Aline Dal’ Olio GomesRevisado pela Dra. Renata Guimarães MoreiraCapítulo 25 A ecofisiologia no cenário das mudanças climáticas globais pág. 279Lye OtaniRevisado pela Dr. Carlos Arturo NavasBibliografia pág. 286
  • 213. MetablismoJulho/2010 Pág. 205Metabolismo e Temperatura: Conceitos e ImplicaçõesCarlos Eduardo TolussiLaboratório de Metabolismo e Reprodução de Organismos Aquáticosctolussi@gmail.comMetabolismo: conceitos e considerações geraisO metabolismo é definido como o conjunto de transformações das moléculasorgânicas catalisadas por enzimas nas células vivas; a soma do anabolismo e catabolismo.As milhares de reações químicas catalisadas por enzimas nas células são organizadasfuncionalmente em muitas sequências de reações, na qual o produto da primeira reação setorna o reagente da próxima (Nelson e Cox, 2005).Dentre essas reações, algumas degradam nutrientes orgânicos em produtos finaissimples, extraindo energia química e a convertendo em uma forma útil para a célula; juntasessas reações degradativas, produtoras de energia livre, são designadas como catabolismo(Fig. 1). Outras vias começam com moléculas precursoras pequenas e são convertidas emmoléculas mais complexas e maiores, incluindo as proteínas e os ácidos nucléicos. Tais viasbiossintetizadoras, que invariavelmente requerem a adição de energia, são coletivamentedesignadas de anabolismo (Fig. 1) (Nelson e Cox, 2005).Na ausência de trabalho externo ou de armazenagem de energia química, todaenergia liberada durante os processos metabólicos é transformada em calor. Este fatosimples torna possível usar a produção de calor como índice de metabolismo energético(taxa metabólica), desde que o organismo esteja em um estado térmico estável com oambiente (Randall e col., 2000).Segundo Schmidt-Nielsen (2002), a taxa metabólica refere-se ao metabolismo deenergia por unidade de tempo, e pode ser medida em princípio por três métodos distintos.1) Cálculo dos valores energéticos ingeridos e o valor de todos os excrementos(principalmente fezes e urina). Esse método supõe que não haja alteração nacomposição do organismo, portanto, ele não pode ser usado para os organismosem crescimento ou aqueles que têm alguma alteração na quantidade de gorduraou de outro material;2) Cálculo através da produção de calor do organismo. Esse método forneceinformações sobre todo o combustível utilizado e, em princípio, é o método maispreciso;3) Cálculo da quantidade de oxigênio utilizada nos processos de oxidação, desde quehaja informações sobre as substâncias oxidadas (não havendo metabolismoanaeróbio).
  • 214. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 206 Julho/2010Figura 1– Esquema dos processos metabólicos, Anabolismo eCatabolismo (Modificado de Nelson e Cox, 2005).A taxa metabólica varia com o tipo e a intensidade dos processos que estãoocorrendo. Esses processos incluem o crescimento e o preparo de tecidos; o trabalhointerno químico, osmótico, elétrico e mecânico; e o trabalho externo para a locomoção ecomunicação. Desta forma, a energia ingerida pode seguir diferentes caminhos, sendo queuma parte desta será utilizada para realização de diferentes trabalhos como os descritosacima e também liberada na forma de calor (Fig. 2) (Randall e col., 2000).Para conhecer a taxa metabólica de um organismo, é necessário analisarprimeiramente a taxa metabólica basal ou padrão (TMB), que consiste na menor taxametabólica ou no mínimo de energia que o organismo necessita para viver (Hochachka eSomero, 2002). Com a TMB é possível calcular o quanto da taxa metabólica desteorganismo foi alterada para realizar algum trabalho.
  • 215. MetablismoJulho/2010 Pág. 207Figura 2– Caminho que a energia química dos alimentos segue nosanimais (Modificado de Randall e col., 2000).Em mamíferos, para que a TMB seja validada deve ser levado em consideração asseguintes condições: a análise deve ser no estágio de desenvolvimento adulto; o organismo não deve ingerir alimentos (geralmente sendo utilizada uma noite emjejum para humanos); as condições de temperatura devem ser “normais” para aquela espécie; não deve haver condições estressantes; o animal deve estar em repouso.A TMB deve ser medida diretamente através da produção de calor, ou indiretamentepela medição do consumo de oxigênio (VO2 - volume de oxigênio por Kg por minuto). Épossível também calcular a taxa metabólica de repouso (TMR), que é similar a TMB, masneste caso o organismo não precisa estar em jejum (Hochachka e Somero, 2002). Astécnicas para medidas do metabolismo energético serão abordados mais detalhadamenteno próximo capítulo.É importante mencionar que a TMB é tecido especifico (Rolfe e Brown, 1997). Emhumanos, por exemplo, o relativo tamanho do fígado, trato gastrointestinal, rim, pulmão,sistema nervoso, coração e músculos são 2; 2; 0,5; 0,9; 2; 0,4; e 42%, respectivamente, e a
  • 216. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 208 Julho/2010soma de todos estes tecidos representa 50% da massa total do organismo. Entretanto, acontribuição de cada tecido na TMB é de 17; 10; 6; 4; 20; 11 e 25% respectivamente,representando 90% da TMB em humanos (Hochachka e Somero, 2002).Como foi dito acima, a TMB pode variar devido a diferentes fatores, entre eles atemperatura. Por isso, é necessário medir o equivalente da taxa metabólica basal, na qual oanimal não está gastando energia metabólica adicional para se aquecer ou resfriar. Por essarazão, a taxa metabólica padrão (TMP), é definida como o metabolismo do animal emrepouso em jejum em certa temperatura corporal. Para alguns ectotérmicos, a TMPdepende do histórico de sua temperatura prévia, em virtude da compensação metabólica ouda aclimatação térmica (Randall e col., 2000).Energia, Temperatura e Calor: conceitos e sua importância nos organismosConceitosSerão apresentados abaixo os conceitos de energia e temperatura necessários para oentendimento dos tópicos abordados neste capítulo: a energia está relacionada à realização de trabalho, como a energia associadaao movimento (energia cinética). Existem outras formas de energia como aquímica provinda, por exemplo, através do ATP (Ferrano e Soares, 1998);Para a compreensão de como a temperatura pode interferir nos processosmetabólicos é necessário compreender que, quando há um aumento da energia em umamolécula, a movimentação dos seus átomos é elevada, fazendo com que as mesmas sechoquem com maior intensidade umas com as outras, tal processo é chamando de energiacinética molecular (Ferrano e Soares, 1998). temperatura é a grandeza que mede a intensidade da agitação térmica(Ferrano e Soares, 1998); calor é a energia em trânsito determinada pela diferença de temperatura entreos sistemas envolvidos (Ferrano e Soares, 1998).Endotermia e EctotermiaA velocidade das reações químicas aumenta com a temperatura, devido a isso, aatividade metabólica de um animal está relacionada diretamente com a sua temperaturacorporal: animais com temperaturas corporais baixas apresentam taxas metabólicasreduzidas. Sendo assim, é possível utilizar a temperatura corporal, mais especificamentesua estabilidade, nos organismos para classificar os processos termorregulatórios corporais(Randall e col., 2000).
  • 217. MetablismoJulho/2010 Pág. 209Animais expostos a variações de temperatura em laboratório, seja no ar ou na água,que mantêm sua temperatura corporal acima da ambiental, regulando-a dentro de seuslimites fisiológicos através do controle da produção e da perda de calor, são denominadoshomeotérmicos. Na maioria dos mamíferos, a faixa de temperatura corpórea central normalé de 37°C e 38°C e para as aves esta temperatura é próxima de 40°C. Alguns outrosvertebrados conseguem controlar sua temperatura corporal desta maneira, embora talcontrole seja limitado a períodos de atividade ou crescimento rápido desses organismos. Aocontrário disso, os pecilotérmicos são os animais nos quais a temperatura corporal tende aflutuar mais ou menos com a temperatura do ambiente, quando expostos a temperaturas doar ou da água variadas experimentalmente (Randall e col., 2000).Previamente os peixes, anfíbios, répteis e invertebrados foram consideradospecilotérmicos e, aves e mamíferos homeotérmicos. Porém, com a progressão dos estudosde campo observou-se que esta classificação não era apropriada, já que, dependendo doambiente em que o animal vive ou do seu comportamento a sua temperatura pode variar(Randall e col., 2000).Peixes que vivem em águas profundas, na qual as oscilações térmicas são dificilmentemensuráveis, apresentam uma temperatura corporal constante e, portanto, deveriam serdenominados homeotérmicos. Há também mamíferos que podem oscilar sua temperaturaem vários graus, podendo chegar até a 0°C em períodos como a hibernação (Schmidt-Nielsen 2002).Devido a estas inconsistências em relação a classificação descrita acima, foinecessário a formação de uma outra nomenclatura baseada na “fonte corpórea” de calor,sendo separados em: os que geram calor metabólico, endotérmicos; e os que não geramcalor, ectotérmicos (Randall e col., 2000). Endotérmicos são os animais que geram seupróprio calor corporal. A sua produção se dá pelo subproduto do metabolismo, elevandosuas temperaturas corporais consideravelmente acima das temperaturas do ambiente. Osmaiores exemplos são as aves e os mamíferos. Ectotérmicos são os animais que produzemcalor metabólico em taxas comparativamente menores, normalmente muita baixas parapermitir a endotermia. Frequentemente, os ectotérmicos têm baixas taxas de produção decalor metabólico e altas condutâncias térmicas, fazendo com que sejam pobrementeisolados (Randall e col., 2000). O mecanismo fisiológico e comportamental adotado pelosdiferentes vertebrados, ectotérmicos e endotérmicos, para o ajuste da temperatura corpóreaserá apresentado nos próximos capítulos.Um outro conceito a ser mencionado é o de heterotermia, que consiste na produçãode vários graus de calor endotérmico pelos animais. Contudo, eles geralmente não regulama temperatura corporal dentro de uma faixa estreita. Estes animais podem ser divididos emdois grupos, os heterotérmicos regionais e os heterotérmicos temporais. Os
  • 218. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 210 Julho/2010heterotérmicos regionais são geralmente ectotérmicos que podem alcançar temperaturascentrais elevadas, por meio da atividade muscular, enquanto seus tecidos periféricos seaproximam da temperatura ambiente, como alguns tubarões, salmão e muitos insetosvoadores. Os heterotérmicos temporais constituem em uma grande categoria de animaiscujas temperaturas variam muito com o tempo. Os monotremados, como os équidnas, assimcomo outros mamíferos e aves em torpor ou em hibernação são exemplos deste conceito(Randall e col., 2000).Metabolismo e TemperaturaTecido adiposo marrom, UCPs e avUCPUma das formas utilizadas pelos mamíferos para produção de calor é através do usodo tecido adiposo marrom (TAP). Este tecido é estritamente de mamíferos, tentativas deencontrar órgãos que possuem uma grande geração de calor como o TAP em aves ououtros animais não mamíferos não foram bem sucedidas. Entretanto, aspectosfundamentais bioquímicos parecidos com o TAP foram encontrados difundidos noseucariotos, que certamente perderam um órgão de geração de calor especializado como oTAP, mas eles são capazes de explorar alguns dos mecanismos bioquímicos usados peloTAP para a produção de calor (Hochachka e Somero, 2002).O TAP é caracterizado pela alta densidade de triglicerídeos e uma grandeconcentração de mitocôndrias, sendo esta última característica a que a diferencia do tecidoadiposo branco, que apresenta uma baixa quantidade dessa organela. Fisiológica ebioquimicamente, o TAP é caracterizado por uma série de circuitos de regulação genética,hormonal e neural que estão envolvidos na termorregulação dos mamíferos. Além disso,existe uma inserção de proteínas desacopladoras (UCPs) na membrana interna damitocôndria, que media o influxo de prótons que não são ligados para a geração de ATP(Hochachka e Somero, 2002). A família das proteínas UCPs (principalmente a UCP1) estáenvolvida em uma parcial dissipação do gradiente eletroquímico de prótons da mitocôndria,que desacoplaria a fosforilação oxidativa, fazendo com que haja a produção de calor (Colline col., 2005).Como mencionado anteriormente, não foi observado um TAP ou um tecidotermogênico em outros animais (Toyomizu e col., 2002). Contudo, em pinguins foiencontrado desacopladores em células musculares quando os animais eram expostos aofrio (Skulache e Maslov, 1960; Skulache, 1963), sendo mediado pelos ácidos graxos(Levechev, e col., 1965). Além disso, foi descoberto outra proteína, denominada avUCP, queapresenta 70% dos aminoácidos idênticos as UCP2 e UCP3 de mamíferos. Demonstrou-se
  • 219. MetablismoJulho/2010 Pág. 211que a expressão da avUCP foi aumentada quando os animais foram aclimatados ao frio(Raimanbalt e col., 2001).Tais resultados experimentais para aves e os já conhecidos estudos prévios paramamíferos demonstram que a avUCP e a UCP1, respectivamente, são um dosresponsáveis pela regulação térmica desses grupos que os permitem serem classificadoscomo endototérmicos.Efeitos da temperatura nas proteínasComo já foi dito anteriormente, dentre um determinado limite, a temperatura causaefeitos em vários processos fisiológicos, como no metabolismo, mais precisamente na açãoe no funcionamento das enzimas. A principal habilidade das enzimas é a diminuir a energiade ativação, que é o mínimo de energia requerida para uma reação ocorrer (Hochachka eSomero, 2002). A aplicação deste conceito será abordada com mais detalhesposteriormente.Os efeitos da temperatura sobre as taxas de atividade biológicas são quantificadaspelo cálculo do coeficiente de temperatura ou Q10. Este cálculo mede o efeito que aalteração de 10°C tem sobre uma determinada taxa de atividade biológica através daequação (Hochachka e Somero, 2002):Q10 = (k1/k2)10/(t1-t2)Na qual, k1 e k2 são a taxa constante determinada pelo aumento e diminuição datemperatura, t1 e t2 , respectivamente.Como pode ser observado abaixo (Fig. 3), com um Q10 de 2 e em uma temperaturainicial de 0°C, a taxa de consumo de oxigênio dobraria com um aumento de 10°C,quadruplicaria em 20°C, aumentando constantemente e de forma regular com a elevação datemperatura. Se o Q10 for de 3 o aumento seria 3, 9, 27 e assim por diante (Schmidt-Nielsen,2002).
  • 220. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 212 Julho/2010Figura 3 – Relação da temperatura e o consumo de oxigênio (Modificado de Schmidt-Nielsen, 2002).Para muitos processos, como as taxas de respiração e metabólica, os valores de Q10são próximos a 2, quando realizados testes em animais com uma taxa de temperaturacorpórea “normal”. Para temperaturas que apresentam efeitos letais, o Q10 apresenta valoresmenores que 1, assim como para queda de temperatura o valor será menor que 2 também(Hochachka e Somero, 2002).A interferência da temperatura para que uma reação química ocorra, origina-se pelofato de que a reatividade das moléculas é tipicamente dependente da sua energia cinética.Porém, isso é uma explicação parcial e qualitativa para os valores de Q10 observados noscálculos biológicos. Uma alteração da temperatura em 10°C acarreta em uma menormudança relativa na energia cinética das moléculas que integram o sistema, por exemplo,para 25°C uma mudança de 10°C representa apenas uma alteração entorno de 3% damédia do nível de energia cinética (Hochachka e Somero, 2002). Isto é explicado pelo fatode que a energia cinética das populações de moléculas segue uma função Maxwell-Boltzmann. Essa função aborda que as partículas possuem um intervalo de diferentesvelocidades, e a velocidade de uma determinada partícula varia constantemente devido acolisões com outras partículas (Fig. 4). No entanto, a fração de um número grande departículas, dentro de um determinado intervalo de velocidade é quase constante. Com isso,é importante considerar não apenas a frequência do nível de energia que ocorre dentro da
  • 221. MetablismoJulho/2010 Pág. 213população, mas também, que a energia daquele sistema é maior que a média de energiapara que ocorra a reação, com isso podemos explicar porque os valores de Q10 ficam emtorno de 2 mesmo com a elevação de 10° da temperatura (Hochachka e Somero, 2002).Figura 4–Relação da energia de uma molécula e a energia de ativação(Modificado de Hochachka e Somero, 2002).Dito isto, é importante mencionar a interferência da temperatura nos eventoscatalíticos das enzimas e para entendermos como se dá esta interferência é precisoresponder duas questões: Porque as enzimas são capazes de direcionar as transformações químicas demaneira tão rápida em temperaturas biológicas adequadas? Porque que a temperatura é tão importante na atividade enzimática?Estas duas questões estão ligadas diretamente com as mudanças da estruturatridimensional (conformação) da enzima (Hochachka e Somero, 2002). A questão davelocidade da atividade catalítica das enzimas foi respondida graças aos métodos quepossibilitaram a caracterização da sua estrutura tridimensional. Isso permitiu desvendar asmudanças conformacionais no ciclo de catálise, abrangendo a ligação do substrato naenzima e o fim com a liberação do produto. Esses métodos mostraram a existência deeventos complexos ocorrendo durante o processo catalítico e que são inadequadamenterepresentados pela descrição convencional das reações enzimáticas (Hochachka e Somero,2002):1) Enzima + substrato enzima – substrato2) Complexo complexo ativado3) enzima – produto complexo4) enzima + produto
  • 222. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 214 Julho/2010Apesar do esquema de catálise enzimática estar de forma geral correto, há falhas nasugestão do processo da estrutura da enzima durante o ciclo da catálise (Hochachka eSomero, 2002). Os quatro degraus existentes de ativação com a notável capacidade daenzima de alterar altas taxas das ligações covalentes no esquema acima demonstram queapós o substrato se ligar a enzima (degrau 1) há a formação e ativação de um complexo(degrau 2). Os recentes estudos sobre o funcionamento das enzimas concluíram que oprincipal evento que governa o ciclo da catálise não é a alteração nas ligações covalentesdos reagentes (transformação do substrato em produto), mas sim as mudançasconformacionais durante a ligação e liberação do substrato que alteram a barreira daenergia de ativação para formar ou quebrar as ligações covalentes dos substratos(Hochachka e Somero, 2002) (Fig. 5).Figura 5 - Ilustração do funcionamento das enzimas e transformação dos substratos emprodutos (Modificado de Hochachka e Somero, 2002).
  • 223. MetablismoJulho/2010 Pág. 215É possível integrar os conceitos de energia mudando a conformação da molécula emtemperaturas biológicas normais, e é por isso que as enzimas podem reduzir a energia deativação. Desta forma, a alteração da temperatura pode alterar a conformação da enzima eisto acarretaria na alteração do vácuo catalítico (local onde há a transformação de substratoem produto), que gera uma alteração na formação ou na quebra das ligações covalentesalterando a energia de ativação que pode resultar na diminuição da velocidade da reação(Hochachka e Somero, 2002).Os fatores mencionados acima ilustram a relação da temperatura com os processosbiológicos, principalmente o metabolismo, demonstrando a importância desse fator abióticonos organismos endotérmicos e mais fortemente nos ectotérrmicos, já que esses nãopossuem mecanismos fisiológicos como as UCPs para controlar a sua temperatura corporal.Com base nisso, nos capítulos posteriores serão apresentadas algumas técnicas utilizadaspara medir o metabolismo animal e os diferentes mecanismos utilizados por animaisectotérmicos e endotérmicos no ajuste dos processos metabólicos frente as alteraçõesambientais.
  • 224. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 216 Julho/2010
  • 225. MetablismoJulho/2010 Pág. 217Medindo a chama da vidaTatiana Hideko KawamotoLaboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutivath.kawamoto@gmail.comEste capítulo foi baseado no livro Measuring Metabolic Rates de John R.B. Lighton (2008).Neste capítulo será apresentado um contexto histórico do desenvolvimento de técnicaspara medidas do metabolismo, mostrando os principais estudos de metabolismo etemperatura que serviram de base para o que conhecemos hoje. Contudo, veremos que aciência não segue uma seqüência de eventos ordenada nem linear, e nem caminhaprogressivamente da completa ignorância para o conhecimento completo da realidade.Longe disso, as descobertas científicas e paradigmas geralmente percorrem um grande etortuoso percurso histórico. Para o desenvolvimento do conceito de metabolismo,apresentado no capítulo anterior, não foi diferente do que o que ocorre na ciência em geral.Entremeada com os trabalhos dos primeiros alquimistas, as primeiras medidas demetabolismo demoraram cerca de 100 anos para serem feitas desde o surgimento dasprimeiras idéias de metabolismo energético. O problema não era, a princípio, a medida demetabolismo energético em si, mas a necessidade de desvendar o que era o fogo, o ar e avida. A seqüência de eventos históricos, simplificada para fins didáticos, apresenta trêsrelações chave entre: ar e vida, fogo e ar, e fogo e vida.A conexão mais intuitiva é a relação entre ar e vida. Desde os primórdios dahumanidade sabemos que a vida é depende do ar. Leonardo da Vinci (1452–1519), em seuCodex Atlanticus produzido entre os anos de 1478 a 1519, declarou sem maioresexplicações que “onde uma chama não pode arder, nenhum animal que respira pode viver”(tradução livre). O grande desafio para desenvolvimento do conhecimento sobre a relaçãoentre ar e vida, no entanto, não era exatamente saber que a vida estava ligada à presençade ar, mas sim, entender o que é o ar e como ele suporta a vida.A composição do ar foi desvendada juntamente com a compreensão de algunsaspectos sobre o fogo e o processo de combustão. Boa parte do conhecimento que temoshoje sobre a matéria foi moldado pelas experimentações alquimistas, pré-método científico.Em algumas das muitas tentativas de transformar outros metais em ouro, ou de encontrar oelixir da longevidade, os alquimistas perceberam que, ao término da chama, a queima docarvão deixava pouco ou nenhum resíduo. A partir daí, deduziram a existência de umasubstância vital presente no material a ser queimado que sustentava e era a própria chama.Eis que entre 1703 e 1731 o protoquímico e médico alemão Georg Ernst Stahl(1660–1734) propuseram o nome de flogisto para a tal substância. Segundo a teoria do
  • 226. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 218 Julho/2010flogisto, a combustão cessava quando o ar ficava saturado dessa substância, ou o materialesgotava a sua quantidade de flogisto. Este era o caso da queima de metais, cujacalcinação deixava para trás como resíduo o calx, o metal supostamente “deflogisticado”. Ocalx quando combinado com carvão, teoricamente repleto de flogisto, voltava à sua formametálica anterior a calcinação, reforçando a teoria do flogisto.Um pouco antes da ampla aceitação da teoria do flogisto, Robert Boyle realizaexperimentos mostrando que quando a pressão do ar ao redor de velas, pássaros ecamundongos diminui até certo nível, eles morrem, demonstrando que algo no ar mantinhatanto a chama da vela quanto a vida dos animais testados. Neste contexto, o ar não podiaestar saturado de flogisto, já que o que se estava fazendo era liberar mais espaço para oflogisto e, no caso dos animais, não havia chama para saturar o ar de flogisto. Boyletambém mostra que o metal calcinado não perde peso, contrário do que seria esperado pelateoria, mas sim ganha peso, reforçando ainda mais as idéias contra o flogisto.Mas é John Mayow (1643–1679) quem faz a pergunta chave: será que a combustãoe a vida são mantidas pela mesma substância? Ao colocar um camundongo em uma jarracom a abertura voltada para uma vasilha com água (Fig. 1) ele observou o nível da águasubir até o momento que o animal morria. O nível da água sempre subia mais ou menos atéo mesmo nível. O camundongo estava claramente consumindo algo do ar. O mesmoacontecia com a vela. Mayow havia inventado o primeiro respirômetro semi-quantitativo. Eleainda colocou a vela e o camundongo juntos, na mesma jarra, e observou que quando avela apagava, instantes depois o camundongo morria, sugerindo que ambos eramsustentados pela mesma substância presente no ar, a qual chamou de “nitro-aereus”.Incrivelmente, a partir dessas primeiras descobertas ele propôs que o nitro-aereus passavapelos pulmões, depois para o sangue onde combinava com o combustível aí presenteaquecendo o animal. Propôs ainda que o mesmo acontecia na atividade muscular e nocoração. Essa substância era o que conhecemos hoje como oxigênio. Pouco tempo depoisde ganhar alguma notoriedade com essas descobertas e de se tornar membro da RoyalSociety, John Mayow morre, encerrando abruptamente uma carreira científica que prometiainúmeras descobertas mais.O próximo pesquisador que coleciona descobertas que serviram de base para oentendimento do metabolismo energético foi Joseph Priestley (1733–1804). Ele vivia ao ladode uma cervejaria e, primeiro, descobriu que o gás resultante da fermentação da cevadaFigura 1 - Ilustração mostrando o equipamento usado por JohnMayow em seus experimentos de combustão e respiração.Consiste em uma jarra de vidro virada com a abertura em umrecipiente repleto de água (Modificado dehttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Mayow).
  • 227. MetablismoJulho/2010 Pág. 219extingue o fogo. Percebeu, ainda, que o gás que não sustenta mais a chama, em partedissolve em água e é semelhante ao gás da fermentação da cevada. Além disso, eledescobriu que ao jogar óleo de vitriol sobre giz ele conseguia produzir este mesmo gás queele chamou de “fixed-air”. Havia, uma terceira fração desse ar que sobrava após a chama seapagar que não sustentava mais a chama e nem dissolvia em água. Prietley pensou terdescoberto o flogisto. Hoje conhecemos essa substância como nitrogênio. Ele percebeuainda que parte do ar que sobrava na jarra após o camundongo morrer também era “fixedair”. Propôs ainda que o “fixed air” seria retirado do ar pelas plantas permitindo que o arsustentasse a vida e a combustão novamente. O “fixed air” nada mais é que o nosso gáscarbônico. Priestley produziu, ainda, um outro gás ao aquecer óxido de mercúrio.Incrivelmente, este gás sustentava a chama de velas de forma mais intensa e por maistempo do que o próprio ar. Neste momento ficamos tentados a antever o próximo passo edizer que Priestley descobre o oxigênio e derruba a teoria do flogisto. Entretanto, como ditono início deste texto, a ciência percorre caminhos tortuosos e, por mais contraditório quepareça, Priestley foi um dos mais ardorosos defensores do flogisto e interpretou todos osseus incríveis resultados segundo este paradigma. De fato foi a partir desta perspectiva queele descreveu o experimento em que o óxido de mercúrio é aquecido, atribuindoerroneamente o efeito ao processo de deflogisticamento do ar.A teoria do flogisto só é derrubada após um acúmulo massivo de experimentos eevidências produzidos por Antoine Lavoisier (1743–1794) e os anti-flogistianos queestabeleceram que era mais parcimonioso assumir que o flogisto era um gás o qualLavoisier chamou de oxigênio. Apesar da controvérsia entre flogistianos e anti-flogistianos,ambos aceitavam as similaridades entre o processo de combustão e a manutenção da vidana presença de ar. Com os estudos de nutrição e taxa metabólica, Lavoisier juntou todos oselementos necessários para solidificar o conceito de metabolismo energético como umacombustão lenta dos alimentos realizada pelos organismos e tecidos vivos. Odesenvolvimento dos paradigmas, a partir de então, acompanharam o desenvolvimentotecnológico dos equipamentos de medida. Deste modo, a seguir farei uma rápida descriçãodas principais técnicas respirométricas: calorímetro de gelo, manômetros e respirometriafechada, a coulorimetria e a respirometria aberta.Calorímetro de gelo e primeiros conceitosAntoine Lavoisier, Marie-Anne Paulze e Pierre-Simon Laplace realizam experimentosque serão o estopim dos estudos de metabolismo e temperatura como conhecemos hoje. Aocolocar uma cobaia dentro de uma gaiola de metal envolta por gelo (Fig. 2), medem,indiretamente, o metabolismo através da transferência de energia (calor) da cobaia para o
  • 228. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 220 Julho/2010gelo. Usando o conceito de calor latente1proposto por Joseph Black e sabendo que o calorlatente de derretimento do gelo é 0.334kJ/g, calcularam pela primeira vez, através daquantidade de água produzida por essederretimento, a energia perdida por um animalajustando o metabolismo para 0ºC. Chegaramao valor de 270kJ/h ou 75W de energia,aproximadamente o mesmo que uma velaqueimando. Daí advém o nome decalorimetria à técnica e de caloria à unidadede medida que adotamos nos estudos demetabolismo energético.Dentre as muitas descobertascientíficas que o casal é responsável,somente na área de metabolismo energéticoeles realizaram uma série de medidas queestabeleceram conceitos básicos que aindaestão sendo desvendados nos dias de hoje.Medindo humanos e animais estabeleceramque o consumo de oxigênio aumenta com otamanho dos animais e com o exercício,descobriram a termogênese induzida pordieta, inventaram o método de calorimetriaindireta que mede a taxa metabólica atravésdo consumo de oxigênio e a calorimetriadireta (calorímetro de gelo). Contudo, otrabalho intelectual do casal Antoine Lavoisiere Marie-Anne Paulze é bruscamenteinterrompido com o advento da RevoluçãoFrancesa, momento em que ambos sãodecapitados. Somente um século após amorte do casal avanços em instrumentosmanométricos proporcionam novidadestécnicas no campo das medidas metabólicas.1Energia absorvida por uma substância enquanto muda de estado, sem mudança de temperatura. Osmais comuns são o calor latente de fusão (estado sólido para líquido) e de ebulição (líquido paragasoso).Figura 2 - Ilustração do primeiro calorímetrode gelo usado em 1782 e 1783 por AntoineLavoisier, Marie-Anne Paulze e Pierre-Simon Laplace para medir o calor envolvidoem diversos tipos de reações químicas,baseados no conceito de calor latente deJoseph Black. Além de inaugurar osestudos da termoquímica, realizam aprimeira medida de metabolismo energéticoao medir um porquinho-da-índia nocalorímetro de gelo (Modificado dehttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Ice-calorimeter.jpg.)
  • 229. MetablismoJulho/2010 Pág. 221Manômetros e a respirometria fechadaA respirometria fechada baseia-se em medidas indiretas para quantificar o consumode oxigênio através de mudanças de pressão e volume de ar presente dentro de umrecipiente hermeticamente fechado. A maneira mais simples de medir a pressão de gases éusando manometria. As técnicas necessárias para realizar as primeiras medidasmanométricas já existiam na época de Lavoisier. Seu predecessor, Robert Boyle, já haviaestabelecido as bases do método científico aplicado à química tornando-se um marcodivisor de águas que separava o amadorismo e experimentalismo puro dos alquimistas doque conhecemos hoje como química moderna ao publicar seu livro de 1661, The SkepticalChymist. Mais especificamente, Boyle havia descrito o comportamento dos gases emrelação à pressão e a temperatura, estabelecendo o que conhecemos até hoje como Lei deBoyle. Em 1643, cerca de 20 anos antes, Evangelista Torricelliinventa o primeiro manômetro usado para medir pressãoatmosférica (Fig. 3). Em 1661, Christian Huygens inventa omanômetro em tubo-U, permitindo uma nova série de medidascomparativas, já que no tubo em U (Fig. 4), a diferença naaltura da coluna de líquido é diretamente proporcional àdiferença de pressão em cada uma das aberturas do tubo,conforme a fórmula:Pa – Po = H.g.ρonde H é a diferença na altura do menisco do líquido, Pa é apressão medida, Po é a pressão de referência, g é a gravidadee ρ é a densidade do líquido usado.Assim, foram lançadas as bases para o desenvolvimento deinstrumentos que hoje em dia apresentam uma variedadeenorme, cada qual com as suas vantagens e suasdesvantagens: amplitude de pressão medida, sensibilidade,dinâmica da resposta às mudanças de pressão e custo quemudam muito de um instrumento para outro criando uma variedade enorme depossibilidades de montagem de equipamentos.Figura 3 - Esquemamostrando o primeiromanômetro inventado porEvangelista Torricelli em1643.
  • 230. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 222 Julho/2010Apesar da tecnologia e o conhecimento sobre aspropriedades físico-químicas dos gases terem sidoestabelecidas no século XVII, é somente no início doséculo XX que esse tipo de equipamento se populariza epassa a ser amplamente usado em laboratórios depesquisa. Um esquema simplificado de um sistemarespirométrico fechado (Fig. 5) consiste em uma câmarahermeticamente fechada, com um absorvedor de gáscarbônico colocado, de preferência, no fundo desterecipiente separado do animal com uma tela de metal, jáque o absorvedor geralmente é composto por umasubstância química corrosiva (Ascarite II ou KOH). Acâmara ainda é ligada a um manômetro líquido que indicaa queda de pressão do ar que preenche a câmaraconforme o organismo consome o oxigênio, e uma seringade ar que ao injetar ar na câmara procura manter omenisco do manômetro no mesmo nível, mantendo,assim, o mesmo volume de ar durante todo oexperimento. Ao final do experimento, medimos oconsumo do animal através da diminuição total do volumede ar causada pelo consumo de oxigênio do animal. Oque veremos a seguir são as principais variações destepadrão básico de respirometria fechada.Figura 5 - Esquema de um sistema simples de respirometria fechada. O sistema geralmente émantido em temperatura constante durante todo o experimento. O absorvedor pode ser Ascarite II(Thomas Co.) ou KOH. O manômetro indica a mudança de pressão do ar que preenche a câmararespirométrica, e a seringa permite que se injete ar para que o menisco volte para o nível inicial.Figura 4- Esquema mostrandoo funcionamento de ummanômetro em tubo-U. Seufuncionamento permite acomparação entre pressõesde dois sistemas. Pressãoatmosférica versus recipienterespirométrico, por exemplo.
  • 231. MetablismoJulho/2010 Pág. 223Respirômetro de Volume Constante de WarburgO Respirômetro de Volume Constante de Warburg foi amplamente usado por OttoWarburg e colaboradores de Berlim e foi o primeiro descrito por Joseph Barcroft e JohnHaldane em 1902. A câmara respirométrica é acoplada a um manômetro líquido em U e aum braço lateral repleto de absorvedor de gás carbônico (Fig. 6). O manômetro em U aquipossui como pressão de referência a própria pressão atmosférica, diferente do respirômetrode Gilson, descrito mais adiante. É comum o uso do fluido de Brodie como o líquido domanômetro (23g de cloreto de sódio, 5g de tauroglicocolato de sódio, 500mL de água).Neste sistema o volume do recipiente onde fica o animal e a temperatura exata domomento que foi determinado o volume precisam ser conhecidos para realizar os cálculos:O2=h [( Vf [ 273.15 / T ] + Vq x b ) / P ](consumo em µL O2)onde h é a altura do menisco no manômetro, Vf é o volume de gás livre (mL) da câmarasomado ao volume de ar dentro do manômetro até a altura do menisco descontado o valordo volume do animal medido, T é a temperatura em graus Celsius, Vq é o volume em mL detodos os líquidos na câmara, b é a solubilidade do gás medido no líquido da câmara, e P é apressão atmosférica por mililitro do fluido manométrico (geralmente fluido de Brodie).Este sistema respirométrico é extremamente difícil de ser usado e é muito instável. Omanômetro usa como a pressão de referência a pressão atmosférica que pode mudar com aaltitude ou com a condição climática (p.e. chuva), podendo incutir erro na medição. Outrofator de instabilidade é a diluição dos gases do ar interno na câmara na solução aquosa deKOH, o que pode alterar a medição também. Parte desses problemas foram solucionadospelo sistema respirométrico de Gilson que veremos a seguir.
  • 232. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 224 Julho/2010Figura 6 - Esquema simplificado de um respirômetro de Warburg. Note que apressão de referência do manômetro em U é a própria pressão atmosférica.Respirômetro de Pressão Constante de GilsonO respirômetro de Pressão Constante de Gilson (Gilson, 1963) é um sistema derespirometria fechada semelhante ao Warburg, porém resolve o problema de alterações napressão atmosférica ao ligar uma das pontas do manômetro líquido em U a umtermobarômetro, que nada mais é do que outro frasco hermeticamente fechado com volumee pressão de gás constantes. Para manter constantes a pressão e o volume do ar o sistematodo é mantido em um banho térmico que mantém a temperatura. (Fig. 7). O volume émantido constante pela manutenção do menisco do manômetro sempre na mesma alturaatravés da injeção do mesmo volume de ar que já foi consumido pelo animal. A vantagemdo respirômetro de Gilson é que se trata de uma medida física direta, onde não precisamosconhecer o volume da câmara onde está o organismo, diferente do sistema de Warburg emque era necessário saber o volume de ar exato da situação inicial do sistema. Os passos aserem seguidos são:1. Coloque o animal na câmara;2. Absorva qualquer CO2 produzido pelo animal;3. Meça a mudança de pressão causada pelo consumo de O2;4. Ajuste periodicamente o volume de ar para que a pressão se mantenha constante.
  • 233. MetablismoJulho/2010 Pág. 225Cálculos:O2=( µL x PB x 273.15 ) / ( 101.325 x T )(consumo em µLO2)onde µL é o volume de ar que diminuiu no sistema, PB é a pressão barométrica emkilopascals e T é temperatura em Kelvin.Figura 7 - Esquema simplificado de um respirômetro de Gilson. Note queo termobarômetro é um frasco que contém um volume constante de ar.Transformações para CPTP (Condições Padrão de Temperatura e Pressão): microlitros/hora para microgramas/hora=>multiplique por 1.43; microlitros/hora para micromoles/hora=>multiplique por 0.04464.A aparente simplicidade deste sistema respirométrico à primeira vista, esconde umasérie de detalhes técnicos e de procedimento em que o experimentador precisa estar bemtreinado para conseguir um bom funcionamento do sistema. Por exemplo, o líquido quemantém a pressão pode vazar sobre o organismo durante a montagem do sistema, o animalpode entrar em contato com o absorvedor e sofrer injúria durante o registro do consumo deoxigênio, além das limitações próprias da respirometria fechada listadas no final deste item.Cálculo de Quociente Respiratório (QR)Como já visto no Capítulo 19, a razão entre o que é produzido como CO2 e o que éconsumido de O2 pode ser usado para estabelecermos o substrato energético (carboidrato,proteína ou lipídio) que está sendo usado pelo animal no momento da medida para obterenergia. Em uma condição em que o animal tem um QR de 1, ou seja, usa carboidratoscomo substrato e o sistema respirométrico não possui absorvedor de CO2, o sistema não
  • 234. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 226 Julho/2010apresenta mudança de volume inicial versus final. Parece que o animal não respira porque oconsumo de oxigênio compensa a produção de gás carbônico. Podemos usar estacaracterística para obter o QR usando a fórmula:QR = (MR-MRap)/MRonde QR é o quociente respiratório, MR é o metabolismo medido com o absorvedor, MRap éo metabolismo medido sem o absorvedor.Os valores de QR variam com o substrato energético que está sendo queimado epode ser uma medida interessante a ser realizada, de acordo com a pergunta sobremetabolismo energético que se quer responder.Limitações da respirometria fechadaA respirometria fechada foi muito importante no início do século XX e ainda hoje éusada em condições específicas de medições de ensaios enzimáticos e de cultura detecidos. Contudo, a técnica está limitada a medições e condições físico-químicas muitoespecíficas para que as alterações no ar de dentro da câmara respirométrica sejam passívelde ser acompanhada. Essa limitação torna a técnica inapropriada para medir metabolismode organismos íntegros onde a medida não é estável. Isto acontece com animais quefuncionam como conformadores metabólicos (mudam o metabolismo conforme aconcentração de oxigênio), alterando o metabolismo de forma consistente. Este é o caso deanimais que produzem calor, por exemplo abelhas e insetos voadores em geral, que alteramseus níveis de atividade ao longo do experimento, ou que respiram de forma intermitente,como os artrópodes traqueados. A respirometria fechada não permite, também, mediçõesmuito longas, que se estendam por dias, por exemplo. O aumento de gás carbônico, perdade água, alimentação, produção de excretas e diminuição de oxigênio produzem alteraçõesmetabólicas inconvenientes e impeditivas às medidas. Dentre as alterações listadasanteriormente, as que causam efeitos metabólicos mais importantes são a diminuição(hipóxia) e esgotamento do oxigênio (anóxia), e o progressivo aumento de gás carbônico(hipercapnia). Outra limitação quanto ao seu uso, é a impossibilidade de acompanhar aatividade do animal, o que incute imprecisão na medida de metabolismo energético. Parapequenos artrópodes o efeito é pior porque estes tendem a aumentar a atividade comoresposta ao confinamento em recipientes pequenos. Ambas as técnicas a seguir aparecemcomo soluções a alguns dos problemas da respirometria fechada que acabaram de serlistados.
  • 235. MetablismoJulho/2010 Pág. 227Respirometria CoulométricaA respirometria coulorimétrica foi descrita pela primeira vez por N. T. Werthessen em1937. Ela baseia-se, como na respirometria fechada, no princípio de constância de volumee pressão do gás encerrado em um recipiente respirométrico, associado à produçãoeletrolítica de oxigênio. Esse sistema de grande precisão resolve o problema de alteraçõesnas condições do ar interno á câmara respirométrica, porém é pouco utilizada.O funcionamento é simples: oar de uma câmara respirométrica fica ligado a umrecipiente que contém solução saturada de sulfato cúprico. Como na respirometria fechada,o gás carbônico produzido pelo organismo medido é absorvido do ar por ascarite ou soluçãode KOH. Conforme o volume de ar da câmara diminui, a solução de sulfato cúprico sobe eencosta no anodo, fechando o circuito. Assim que a eletrólise vai liberando oxigênio,restabelece a concentrações de oxigênio, o volume de ar da câmara aumenta e empurra asolução de sulfato cúprico para baixo, desligando o circuito novamente (Fig. 8).Usando o montante de eletricidade liberada ou consumida, medido em coulombs,desta reação de eletrólise obtemos a produção de oxigênio em quantidades muito precisas.Através da fórmula:nLO2 = Q[Vm/(4F)]onde Q é a carga de eletricidade, em coulombs, descarregada na solução saturada; Vm é ovolume molar de oxigênio em CPTP; e F é a constante de Faraday (96.485 coulombs /mol).Figura 8 – Esquema simplificado de um sistema coulorimétrico. Todo o sistema é normalmentemantido em temperatura constante. Conforme o organismo consome oxigênio, libera gás carbônicoque é retirado do ar pelo ascarite, diminuindo o volume de ar da câmara respirométrica. Isto permiteque o nível de solução de sulfato cúprico suba pelo tubo e atinja o anodo, iniciando a eletrólise. Como avançar da reação eletrolítica, o oxigênio produzido preenche a câmara respirométrica novamentefazendo o nível de solução de sulfato cúprico baixar e desligar o sistema eletrolítico.
  • 236. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 228 Julho/2010Respirometria de fluxoO próximo avanço nas técnicas respirométricas não vem no sentido de facilitar asmedidas, muito pelo contrário, a grande desvantagem das técnicas de respirometria de fluxoé a complexidade do equipamento. Enquanto a respirometria fechada é até certo pontointuitiva e passível de ser feita de modo artesanal, como descrito acima, a respirometria defluxo passa a se valer de equipamentos mais sofisticados e que exigem um conhecimentotécnico mais apurado para que sejam devidamente manejados e as medidas válidas sejamobtidas. A seu favor, a respirometria de fluxo traz uma significativa expansão das fronteirasdo que é possível de ser medido e do que se pode conhecer do metabolismo dosorganismos, limites estes os quais ainda estamos explorando. Com o equipamentoadequado, montado de maneira eficiente, já podemos obter medidas de consumo deoxigênio de uma única drosófila em tempo real (Lighton e Schilman, 2007).Esta respirometria usa um sistema de fluxo criado por bombas de ar à vácuoassociado a analisadores de gases compostos de sensores de oxigênio e gás carbônico.Enquanto a respirometria fechada baseia-se na medida de consumo de oxigênio, arespirometria de fluxo permite o registro tanto do consumo de oxigênio quanto do gáscarbônico produzido, isoladamente ou associados no mesmo sistema respirométrico. Elatem expandido as possibilidades de medição de fenômenos fisiológicos mais dinâmicos eligados a ajustes dos organismos a diferentes contextos biológicos. Uma característicamarcante é a possibilidade de medidas dos animais executando atividades diferentes, comgrande precisão no registro de gasto energético. A respirometria de fluxo teve um impactodireto na maneira como lidamos com a fisiologia. Seu uso na medicina, na melhoria dodesempenho de atletas, ou na veterinária, no desempenho de animais de corrida, já nos écotidiano. Toda a fisiologia do esporte, dos ajustes rápidos realizados pelo corpo durante osdiferentes tipos de práticas esportivas só puderam ser investigadas diante destes avançosnas técnicas de respirometria, que permitiram obter medidas de gasto energético em temporeal.Se em um extremo temos a possibilidade de medir fenômenos fisiológicos maisdinâmicos e de ajustes rápidos, no outro extremo temos a possibilidade de acompanharajustes de animais diminutos e de baixo metabolismo. Papel de destaque nodesenvolvimento de novos equipamentos e técnicas encontra-se na figura de John R. B.Lighton (Sable Systems International).O enorme panorama de desenhos experimentais, de montagem dos equipamentos(exemplo, Fig. 9) e mesmo de empresas que oferecem soluções para as diferentesnecessidades de pesquisadores e outros profissionais que usam respirometria, tornam oassunto inesgotável e difícil de sintetizar de maneira satisfatória em um texto introdutório.Sendo assim, o que irei explorar a seguir são algumas características necessárias para
  • 237. MetablismoJulho/2010 Pág. 229guiar a escolha do tipo de medida mais adequado à pergunta que se deseja responder,assim como as vantagens e desvantagens de cada tipo de medida. Para mais detalhestécnicos, dicas de equipamentos e soluções para possíveis problemas, recomendo o livroMeasuring Metabolic Rates de John R. B. Lighton de 2008.Figura 9 – Esquema de uma das maneiras de montar um sistema respirométrico de fluxo comequipamento da Sable Systems International. 1. bomba de ar; 2. câmara para manter estabilidade depressão do ar; 3. fluxímetro; 4.controlador de umidade relativa do ar (UR%); 5. controlador deabertura e fechamento das câmaras respirométricas; câmara respirométrica com animal; 7.absorvedor de umidade do ar e gás carbônico; analisador de oxigênio; 9. programa que registra osdados do analisador.Linha de base: a linha de base é o patamar de referência sobre o qual o consumo deoxigênio ou a produção de gás carbônico são comparados para se obter a medição. São asquantidades iniciais dos gases presentes no ar, antes do animal alterar as proporções dosgases no fluxo. Como a linha de base é o valor de referência a partir do qual se obtém amedida, esta precisa estar bem estável e estabelecida antes do início do registro de umarespirometria de fluxo.Analisador de oxigênio: a quantidade de oxigênio no ar (cerca de 20,95%) faz com que amedida possa ter uma grande amplitude e flutuabilidade de resposta. Uma boa medida deconsumo de oxigênio demanda um bom sensor de oxigênio, uma boa calibração e ajustedos sensores, uma boa estabilidade da composição do ar que entra no sistema e amanutenção do equipamento em um lugar protegido, detalhes que fazem a refletem naobtenção de uma medida válida ou não. Conhecer o equipamento também é importante já
  • 238. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 230 Julho/2010que cada sensor responde de uma maneira às perturbações que ocorrem ao redor doequipamento. Para alguns aparelhos que são sensíveis à vibração, por exemplo, colocaruma bomba de ar vibrando na mesma mesa pode ser um desastre. Além disso, medir oconsumo de oxigênio demanda tempo e paciência, já que a instabilidade do sistema é umagrande desvantagem a ser considerada, efeito especialmente sentido na medida de animaismuito pequenos e/ou de metabolismo baixo. A vantagem da medida de consumo deoxigênio é a sua correspondência direta com o metabolismo energético do organismo (verAnalisador de CO2).Analisador de gás carbônico: a quantidade de gás carbônico no ar é muito menor do quea de oxigênio e este pode ser retirado do ar com o uso de absorvedores, antes de entrar nosistema. Isto nos permite criar uma linha de base de valores muito pequenos ou até mesmode zero CO2, a partir da qual qualquer quantidade de CO2 registrada terá vindo do animalmedido. Por ser uma medida mais estável, é a mais recomendada para a medição depequenos artrópodes. A desvantagem em se medir somente gás carbônico é a necessidadeem saber o QR do animal nas diferentes situações em que este está sendo medido, já que ometabolismo obtido a partir do CO2 depende do QR para ser convertido em unidades deenergia, diferente do que ocorre com o O2. Outro possível problema é a possibilidade da nãocorrespondência direta com o metabolismo devido a efeitos de liberação massiva de CO2por mudanças de pH no sangue.Fluxo de ar: a escolha do fluxo de ar a ser usado depende do fenômeno a ser medido.Animais com metabolismo alto pedem fluxos de ar alto, tanto para evitar hipóxia ehipercapnia, em um sistema de lavagem de câmaras, ou mesmo em um sistema demáscara, em que não há perigo de hipóxia e hipercapnia, para que a dinâmica do consumoregistrado acompanhe as mudanças metabólicas na mesma velocidade em que elasacontecem. Se a captação da amostra de ar pela máscara acontece em uma velocidademenor do que as mudanças que se deseja acompanhar do organismo, a lentidão do registropassa a não captar o fenômeno. Por outro lado, animais que apresentam baixo metabolismoe/ou pequeno tamanho corpóreo, imprimem baixas trocas gasosas, alterando pouco acomposição do ar que passa pelo sistema. Nestes casos, diminuir o fluxo permite que hajaalteração na composição do ar suficiente para que esta alteração seja sentida pelo sensorpresente no analisador. Porém, fluxos muito baixos causam uma defasagem entre aatividade observada no animal e o registro do analisador, aspecto que precisa serconsiderado na hora de decidir o fluxo de ar usado.Lavagem das câmaras respirométricas: o formato da câmara respirométrica tem
  • 239. MetablismoJulho/2010 Pág. 231influência direta neste tipo de medida devido ao fato do gás carbônico ser mais pesado queos demais gases presentes no ar e tender a se depositar na parte inferior da câmara. Istocria, no melhor dos casos, defasagens de medidas e, no pior dos casos, alterações nadinâmicas imprevisíveis na lavagem da câmara. Esta alteração na dinâmica de lavagempode criar registros no sensor que não tem relação direta com as trocas de gases realizadaspelo animal medido, mas sim, com lavagens ineficientes, incompletas e irregulares dascâmaras respirométricas. Os melhores desenhos de câmaras respirométricas são câmarassem cantos e irregularidades onde o gás carbônico não tenha a possibilidade de ficar retido,e de tamanho próximo ao tamanho do animal. Por outro lado, o formato e tamanho dacâmara tem impacto direto no comportamento do animal que está sendo confinado ecaracterísticas do comportamento deste precisam ser considerados para que se evitefatores de estresse quando não se quer medi-los. Por exemplo, de maneira geral, recintossem cantos ou sem irregularidades (exemplo extremo são recintos perfeitamente esféricos)são altamente perturbadores e podem ser um fator de estresse para o animal, apesar de sero melhor formato de câmara sob o aspecto de lavagem.Absorvedores de água: a presença de vapor de água no ar que passa pelos sensores dosanalisadores de gases altera a medida diminuindo o sinal, ou seja, o valor registrado émenor do que o registrado por um fluxo de ar seco passando pelo sensor. Em animais querealizam grandes volumes de trocas de gases, como mamíferos e aves, esse efeito é menornão afetando de modo impeditivo o registro. Entretanto, quando lidamos com animais demetabolismo mais baixo, como anfíbios, répteis e artrópodes, o vapor de água causa efeitossignificativos nas medidas. Para lidar com o vapor de água presente no fluxo de arnormalmente usamos uma sustância que retira essa água do ar (p.e. sílica-gel, drierita ouperclorato de magnésio).Absorvedores de gás carbônico: o ponto no sistema onde o gás carbônico será retiradoda corrente de ar muda conforme a montagem do equipamento, como visto acima. Ele podeser usado para filtrar o ar inicial que entra no sistema. Se o analisador de oxigênio for oequipamento escolhido para a medida, o ar precisa passar por um absorvedor de gáscarbônico antes de entrar no aparelho. As substâncias mais usadas em equipamentosrespirométricos são o Ascarite II, o KOH e cal sodada.Manutenção de temperatura durante a medida: a manutenção de temperatura constantedurante as medidas hoje em dia é feito por câmaras climáticas que vão desde geladeirasmodificadas de modo a manter uma ou duas temperatura programadas, até salasmodificadas para esse mesmo fim. Estas câmaras climáticas permitem boa variedade de
  • 240. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 232 Julho/2010combinações de fatores abióticos que, em conjunto com a respirometria de fluxo, permite arealização das medidas.Respirometria de fluxo em medidas de respirometria fechada: ainda é bastante usadapara a medição de animais com baixo metabolismo e/ou muito pequenos. A estratégiausada aqui é manter a câmara fechada por tempo suficiente para que a quantidade deoxigênio caia e/ou a produção de gás carbonico seja alta o suficiente para ser detectadopelo sensor do analisador. Após este período, o fluxo passa novamente pela câmararespirométrica, renovando o ar dentro desta, permitindo que uma nova medida inicie nasequência. O ar que sai da câmara é direcionado para os analisadores, podendo ou nãopassar por um absorvedor de água e CO2 antes de entrar no analisador (para detalhestécnicos consultar Lighton, 2008). O tipo de registro que esse procedimento gera estáesquematizado na Fig. 10.Figura 10 - Ilustração de uma medida de consumo de oxigênio de respirometria fechada feita em umsistema de fluxo de ar, mostrando a linha de base (pontilhado azul claro), a curva de lavagem dacâmara (linha contínua branca) e a área correspondente ao consumo de oxigênio do animal(vermelho).Respirometria de fluxo em medidas de respirometria aberta: é a medida ideal paraestudos de comportamentos e gasto energético em contextos biológicos com mudanças deestado mais dinâmicas, como pode ser visto na Fig. 11. Sua utilização só não é mais ampladevido a dificuldades em controlar possíveis problemas de lavagem de câmaras einterferências na sensibilidade dos equipamentos, e seu uso ainda é limitado para animaismuito pequenos (p.e. pequenos artrópodes) e/ou de metabolismo muito baixo (p.e. anfíbios).Nestes organismos a respirometria aberta usada mais apropriada é a de produção de CO2.Apesar de já existir equipamentos capazes de realizar respirometria aberta até mesmo deuma Drosophila sp. seu uso é restrito devido ao preço dos equipamentos capazes derealizar estas medidas de forma válida.
  • 241. MetablismoJulho/2010 Pág. 233Figura 11- Exemplo de registro de respirometria aberta de uma formiga forrageando. Produção deCO2 da formiga antes de beber uma solução aquosa de açúcar 30% (flecha da esquerda), enquantoestava bebendo (registro entre as flechas) e depois de beber (registro após flecha da direita)(Modificado de Schilman e Roces, 2006).Considerações finaisMuitas vezes pensamos que a fronteira do conhecimento científico está delimitadapelo o que podemos realizar tecnologicamente em determinado momento histórico.Contudo, a história da ciência e dos cientistas mostra que o mundo científico é feito tambémde muita criatividade e ousadia em questionar velhos modelos. Neste contexto, éemblemático o exemplo do embate de Priestley (representando os flogistianos) e o casalLavoisier (representando os anti-flogistianos). É inegável a qualidade de Priestley comocientista e investigador de propriedades da matéria, porém, sua visão de mundo molda ainterpretação de seus resultados, e mesmo possuindo evidências suficientes para superar ovelho modelo flogistiano, molda a interpretação de seus resultados conforme o paradigmavigente. Coube a Lavoisier mudar a forma de pensar sobre o ar, a vida e a combustão,imprimindo uma longeva mudança de perspectiva ao mundo.Todo este histórico permitiu o desenvolvimento das novas técnicas e dos novosmateriais disponíveis apresentados, como as câmaras respirométricas transparentes edetectores de movimento, que possibilitaram a medição da determinação das relaçõesenergéticas envolvidas em fenômenos fisiológicos e comportamentais mais dinâmicos.Estas medidas têm sido carro-chefe de novidades recentes na fisiologia como a endotermiade insetos, medidas precisas de gasto energético de organismos em estado reprodutivo,auxiliando também na melhoria de técnicas de criação, medidas de desempenho animalcom implicações em interpretações evolutivas e ecológicas, entre outros. Alguns destesprocessos fisiológicos e comportamentais que envolvem alterações no metabolismoenergético de animais ectotérmicos e endotérmicos são apresentados nos cap. seguintes.
  • 242. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 234 Julho/2010
  • 243. MetablismoJulho/2010 Pág. 235Ectotermia: um acesso de baixo custo à vidaJessyca Michele CitadiniLaboratório de Ecofisiologia e Fisiologia Evolutivajessyca.citadini@gmail.comA temperatura ambiental é um dos fatores físicos mais importantes parasobrevivência dos animais. Como discutido em capítulos anteriores, os animais ectotérmicospossuem a temperatura do corpo variável de acordo com a temperatura do ambiente.Contudo, em muitos desses organismos, a manutenção de uma temperatura corpórearelativamente alta e estável eventualmente mais apropriada para as atividades metabólicas,envolve de forma complexa, sinérgica e equilibrada, a fisiologia e o comportamento (Bogert,1949; 1959).Transferência de energiaPara que um corpo ou animal mantenha uma temperatura constante, a perda de energiadeve ser igual ao ganho. Uma compreensão dos mecanismos fisiológicos envolvidos nastrocas de energia que afetam a temperatura dos animais requer o conhecimento de algunsprincípios físicos. Como já mencionado na presente unidade, o calor, por exemplo, é atransferência de energia entre corpos que diferem em temperatura, e tal transferênciaacontece via quatro diferentes formas que são: condução, convecção, irradiação eevaporação (Schmidt-Nielsen e Duke,1996). ConduçãoA condução ocorre entre corpos físicos que estão em contato entre si, sejam sólidos,líquidos ou gases. ConvecçãoA transferência de energia que ocorre em fluidos em geral e ocorre devido àsdiferenças de densidade das partes envolvidas. RadiaçãoA transferência de energia que ocorre na ausência de um contato direto com umobjeto - é dessa forma que todos os dias o Sol aquece a Terra. EvaporaçãoEnergia perdida através da água e o resultado é o resfriamento da superfíciecorporal.Os animais ectotérmicos, utilizam esses mecanismos na regulação da temperatura, porexemplo: condução (seleção do substrato), a convecção (posições em relação ao sol), aradiação (comportamento e pigmentação da pele) e a evaporação através do ofego (Fig.1).
  • 244. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 236 Julho/2010Figura 1 - Representação da troca de energia por condução, convecção, radiação e evaporação paraum réptil em um ambiente terrestre (De Heatwole e Taylor, 1987, Modificado de Withers, 1992).EctotérmicosVamos primeiramente examinar as relações termais de animais ectotérmicosaquáticos. Os animais de hábitos noturnos geralmente não apresentam uma significativatroca de energia com o meio, portanto, são termoconformadores, já os de hábitos diurnosfazem a termorregulação por migrações verticais e horizontais. Em seguida, vamosexaminar os animais ectotérmicos terrestres, os de hábitos noturnos podem evitartemperaturas extremas, são, portanto termoconformadores, já os diurnos termorregulam porheliotermia e seleção de substrato (Withers, 1992). No final será abordada a influência datemperatura sobre a locomoção de vertebrados terrestres e a influência da mesma nasrespostas comportamentais defensivas.Ectotérmicos AquáticosA água tem uma condutividade relativamente baixa de energia e um calor específicoalto, e, por conseguinte leva um longo tempo, tanto para aquecer como para esfriar. Porcausa disto, rápidas flutuações de temperatura do ar fora da água se transformam empequenas e lentas mudanças dentro dela. O ar é rapidamente aquecido ou resfriado econseqüentemente foram entre os animais terrestres que se desenvolveram as maioresadaptações a temperaturas extremas (Withers, 1992).A dissipação de energia através das brânquias é tão eficaz para a maioria dosanimais aquáticos que a produção metabólica de energia não tem nenhum significadotérmico e a temperatura do corpo é semelhante à temperatura da água. Muitos animaisectotérmicos aquáticos são capazes de termorregulação precisamente a uma temperaturade preferência (Tpref). Esta regulação da temperatura de preferência é realizada através docomportamento por uma água de temperatura adequada, ao invés da termorregulação pormeio fisiológico (Withers, 1992).
  • 245. MetablismoJulho/2010 Pág. 237Os anfíbios são um grupo particularmente interessante de animais ectotérmicos, poismuitas espécies são de transição entre ambientes aquáticos e terrestres. Eles podemapresentar uma temperatura corpórea (Tc) entre 0°C (por exemplo, uma salamandracaminhando sobre um campo de neve) até mais de 40°C (um sapo se aquecendo). Comoseria de esperar, os anfíbios aquáticos tem uma Tc similar a temperatura do ar (Ta), masmuitos podem selecionar uma temperatura de preferência, se existe um gradiente térmicoadequado na Ta. Por exemplo, muitos girinos selecionam a água mais quente ao redor dasbordas de um tanque e evitam o frio em água mais profunda (Brattström, 1970). Os girinosde Hyla regilla expõem a superfície dorsal para que seja exposta à radiação solar.Agrupamentos de girinos podem absorver radiação solar suficiente para aumentar atemperatura da água local (Brattström, 1962).Anfíbios terrestres possuem um potencial para aumentar a temperatura corpóreaescolhendo microclimas ou aquecendo através do sol, mas sua alta perda de água porevaporação cutânea tende a diminuir a eficiência do aquecimento ao sol, no entanto,quando hidratados são excelentes evitando o sobreaquecimento (Withers, 1992).Ectotérmicos terrestresMuitos ectotérmicos terrestres apresentam uma considerável capacidade para atermorregulação comportamental e fisiológica. O ar tem baixa condutância e uma menorcapacidade de energia do que a água, desta forma é mais fácil para um ectotérmicoterrestre manter o gradiente termal entre Tc e Ta. A taxa de aquecimento ou resfriamento deum objeto ou animal, em ambientes frios ou quentes é determinada pela temperaturadiferencial, pela propriedade da superfície e pela propriedade termal do meio (condutividadee calor específico) (Withers, 1992).Muitas variáveis afetam a condutância dos animais. A mais importante é o tamanhocorpóreo, presença de isolamento e a natureza do meio (ar ou água). A massa corporal é desuma importância uma vez que a relação área de superfície/massa corpórea do animaldetermina inércia termal, ou seja, a tendência a mudar a temperatura do corpo emdecorrência das mudanças na temperatura ambiente. Animais grandes têm uma menor áreasuperfície/massa que os pequenos animais, e desta forma resfriam ou aquecem maisvagarosamente (Withers, 1992).A inversa relação entre condutância termal e massa do corpo tem profundosignificado ecológico. Animais pequenos possuem considerável dificuldade para amanutenção da temperatura, por exemplo, uma abelha que tem 20 gramas de massa iráperder temperatura em um ambiente frio em poucos minutos. O isolamento térmico tambémpode afetar a condutância, por exemplo, as abelhas que possui os pelos do corpo removidotêm uma maior condutividade que as abelhas que possuem os pêlos (May, 1976). Em
  • 246. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 238 Julho/2010animais geralmente o ganho é mais rápido do que a perda de energia, isto é particularmenteevidente em lagartos e crocodilianos. Existem também mudanças no batimento cardíaco(mais rápido durante o aquecimento), desta forma os ajustes cardiovasculares e metabólicosprovavelmente facilitam o aquecimento e retardam o resfriamento (Fig.2) (Withers, 1992).Figura 2- As iguanas marinhas de Galápagos aquecem e resfriam em velocidades diferentes. (A) Noambiente terrestre a iguana ao tomar sol absorve energia dos raios de sol, ocorrendo avasodilatação dos vasos sanguíneos cutâneos e o batimento cardíaco torna-se mais rápido(conforme registrado pelo Eletroencéfalograma – ECG), o que asseguram o aquecimento do sanguee circulação eficiente. (B) A perda de energia sobre a água é retardada pela lentidão dos batimentoscardíacos e pela vasoconstricção dos vasos sanguíneos cutâneos, que miniminizam o fluxosanguíneo para a pele (Modificado de Eckert, 1997).Aquecimento nos insetosA postura do corpo e a orientação das asas podem afetar significantemente atemperatura do corpo de um inseto se aquecendo (Fig.3). As libélulas se aquecem emtemperaturas baixas do ar e regulam seu ganho através da radiação solar e dos ajustesposturais. Diversas espécies se aquecem com as asas posicionadas para frente e para atrás para reduzir a perda de energia. Muitas borboletas podem elevar a temperatura torácica150C acima da temperatura do ar por ajustes posturais, embora algumas espécies usemvias metabólicas para elevar a temperatura torácica (Withers, 1992).
  • 247. MetablismoJulho/2010 Pág. 239Figura 3- Adaptações posturais da libélula para maximizar o ganho de energia (i) por heliotermia ou(ii) para minimizar o ganho de energia (May,1976 – Modificado de Withers, 1992).ColoraçãoA coloração tem importante efeito na termorregulação, pois 50% da energia radiantevêm do sol e é no espectro visível. Conseqüentemente a refletância visual (cor) influencia noganho de energia. As superfícies pretas refletem menos energia radiante que as superfíciesbrancas. Por exemplo, nos animais que apresentam coloração preta é esperado queabsorvam mais radiação e assim apresentem uma temperatura corpórea maior que osanimais de coloração branca (Fig.4) (Withers, 1992).Figura 4- Temperatura no tórax (símbolos sólidos) e abdômen (símbolos abertos) de besouros dodeserto da Namíbia – Onymacris rugatipennis (élitra preta) e O. brincki ( élitra branca) em ambientede luz solar natural (De Henwood, 1975, modificado de Withers, 1992).Aquecimento em répteis e anfíbiosA temperatura corpórea dos repteis é bastante variável, variando de poucos grausaté acima de 400C. Lagartos noturnos e algumas espécies de diurnos sãotermoconformadores, com a temperatura corpórea similar a temperatura do ambiente.
  • 248. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 240 Julho/2010Lagartos noturnos não possuem nenhuma fonte de radiação solar (embora alguns aqueçamdurante o dia enquanto estão inativos), muitos lagartos que habitam as florestas não podemse aquecer porque eles habitam ambientes sombreados. O lagarto tropical Anolis cristatellusé um oportunista termal; ele é termoconformador em áreas sombreadas, mas étermorregulador em áreas abertas. Alguns lagartos absorvem energia através do contato doventre com uma superfície ou substrato de energia, por exemplo, em rochas aquecidas.Esses lagartos são chamados de tigmotermos porque seu maior ganho de energia é atravésda condução em vez da radiação (Withers, 1992).A maioria dos lagartos diurnos se aquece em luz solar e são chamados determorreguladores com temperatura de preferência do corpo de aproximadamente 35 a40°C. Esses lagartos heliotérmicos manipulam a troca de energia através de viascomportamentais e fisiológicas. Assim, o controle comportamental inclui: mudança naorientação do corpo em relação ao sol, alterações do contorno do corpo, mudança nacoloração (componente fisiológico) e também o controle fisiológico através das alteraçõesna circulação periférica. Lagartos heliotérmicos têm uma estreita faixa de temperatura depreferência, a faixa de tolerância termal é o intervalo de temperatura com o qual o animalpode sobreviver sem comprometer o sistema fisiológico. A faixa de sobrevivência termal édefinida como a temperatura crítica mínima e a temperatura crítica máxima. A temperatura“ótima” é um intervalo que seria o ideal para muitas funções bioquímicas e fisiológicas, comum aumento chegando a um platô e depois decaindo em altas temperaturas, isso ocorre porcausa da instabilidade termal das estruturas e funções das proteínas, como já discutido emcapítulos anteriores (Withers, 1992).Na caatinga brasileira os sapos Pleurodema diplolistris passam os 10 ou 11 mesesanuais de seca enterrados na areia sem água e sem alimento, quando a chuva chega, osmachos emergem cantando em uníssono e logo saltam para a lagoa mais próxima. Atraídaspela cantoria, as fêmeas escolhem seus pares e liberam dezenas de óvulos. Em um ou nomáximo dois meses, quando as chuvas cessam e os rios desaparecem os sapos recém-nascidos precisam estar completamente formados e prontos para se enterrarem na areia(Carvalho e col., 2010).Adaptações ao FrioMuitos ectotérmicos estão bioquímica e fisiologicamente adaptados para sobreviver eaté mesmo funcionar normalmente em baixas temperaturas ambientais. Entretanto,temperaturas que são frias o suficiente para congelar os tecidos do animal sãopotencialmente letais e devem ser evitadas ou requerer adaptações específicas para asobrevivência. Muitos ectotérmicos simplesmente evitam condições congelantes pormigrações ou buscando por microclimas mais quentes, mas alguns ocasionalmente têm
  • 249. MetablismoJulho/2010 Pág. 241contato com temperaturas congelantes. Ectotérmicos aquáticos podem experimentar apenascondições brandas de congelamento, desde que a água doce ou água do mar congele entre00C a -20C. Ectotérmicos terrestres, ao contrário, são particularmente mais susceptíveis aocongelamento porque a temperatura do ar pode cair abaixo de zero (-20 a -500C). Existeuma variedade de estratégias que permitem aos animais ectotérmicos sobreviverem emcondições congelantes (Withers, 1992).Estratégias anti-congelamentoVários ectotérmicos, tais como os artrópodes polares e o peixe icefish, evitam secongelar diminuindo o ponto de congelamento dos fluidos do seu corpo abaixo datemperatura média do ambiente, ou permitindo que os fluidos super-resfriem abaixo doponto de congelamento normal (Withers, 1992).Depressão osmótica do ponto de congelamentoA água doce congela a 00C. As soluções apresentam uma depressão do ponto decongelamento, isso ocorre pela presença de moléculas de soluto. Os ectotérmicos podempotencializar o congelamento pelo aumento da concentração osmótica de seus fluidoscorpóreos, desta forma o ponto de congelamento fica abaixo da temperatura ambiente. Anormal concentração dos fluidos corpóreos confere uma proteção muito limitada contra ocongelamento em água doce, pois o ponto de congelamento dos tecidos é geralmente entre-0,60C a -0,7 0C. Os animais marinhos são mais propensos ao congelamento, pois seustecidos são geralmente não hiper-osmótico e, portanto, eles podem congelar a mesma ou atemperatura maior que a água do mar, que seria de aproximadamente -1,86°C. Algunsectotérmicos acumulam altas concentrações de solutos específicos para diminuir o ponto decongelamento entre 1 a 10°C. Esses solutos são açucares ou alcoóis de açúcar. Estescompostos podem também apresentar um efeito crioprotetor – eles protegem a membrana eas enzimas contra a desnaturação pelo frio e o ferimento provocado pelo gelo (Withers,1992).Super-resfriamentoUm animal pode ficar exposto a uma temperatura consideravelmente abaixo do ponto noqual seus líquidos corpóreos possivelmente congelariam, todavia, permanecem super-resfriados, a menos que a formação de gelo se inicie por meio da nucleação. Por exemplo,se um pedaço de água congelada a −1,9° C for colocada próxima ao peixe, o estado desuper-resfriamento é destruído, e o peixe congela e morre. Desta forma, o super-resfriamento será uma boa estratégia apenas quando o risco de entrar em contato com
  • 250. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 242 Julho/2010agentes nucleadores for muito baixo. Tal super-resfriamento é de fato de grande importânciapara a sobrevivência de muitos animais. Durante uma noite ocasionalmente fria, porexemplo, o super-resfriamento pode ser essencial para os animais intolerantes aocongelamento que não conseguem buscar um refúgio mais quente. Répteis e anfíbios, cujosfluidos corpóreos, se nucleados, começariam a congelar a -0,6°C foram super-resfriados até-8°C, sem que congelassem (Lowe e col., 1971). Isso pode significar a diferença entre a vidae a morte para um animal que fica inesperadamente exposto a uma noite muito fria, antesde encontrar um esconderijo para proteção contra os rigores do inverno. (Schmidt-Nielsen eDuke, 1996).Um componente particularmente efetivo na redução do ponto de congelamento etambém do de super-resfriamento é o glicerol. O glicerol freqüentemente ocorre em altaconcentração em insetos hibernantes e é muito eficaz no aumento da tolerância ao frio(Schmidt-Nielsen e Duke, 1996).Proteínas anti-congelamentoA substância responsável pela redução no ponto de congelamento tornou-seconhecida como uma substancia "anticongelativa". Ela foi originariamente identificada e suacomposição elucidada no sangue de um peixe antártico, Trematomus (DeVries, 1970). Éuma glicoproteína que atua impedindo a adição de moléculas de água à matriz de cristais degelo e, portanto, o seu desenvolvimento. O anticongelativo impede a adição de moléculas deágua ao cristal, pois se liga a superfície do mesmo e assim bloqueia o seu subseqüentecrescimento (DeVries, 1982).Tolerância ao congelamentoEmbora uma tolerância natural ao congelamento e a formação de gelo sejamfundamentais para a sobrevivência de muitos insetos no inverno, somente algunsvertebrados suportam a formação pronunciada de gelo. Os peixes parecem incapazes desuportá-la e a maior parte dos vertebrados superiores não tolera o congelamento sobcondições naturais (Schmidt-Nielsen e Duke, 1996).Exceções são encontradas entre alguns anfíbios que enfrentam o inverno no solo. Arã, Hyla versicolor, apresenta um congelamento parcial e controlado, além disso, há todauma preparação para o inverno. Nesta estação esses animais apresentam 3% de glicerolem seus fluidos corpóreos - possivelmente se o animal estivesse no verão ele seria muitomenos tolerante ao congelamento; mas, por outro lado, em rãs que não toleram ocongelamento, tais como a rã leopardo comum, Rana pipiens, o glicerol encontra-seausente. Essa rã suporta o inverno em um habitat aquático, ao passo que a rã no solo temcontato com temperaturas que rapidamente declinam abaixo de zero. Outras rãs tolerantes
  • 251. MetablismoJulho/2010 Pág. 243ao congelamento, como a rã madeira, Rana sylvatica, rapidamente elevam seus níveisglicêmicos como resposta ao início da formação de gelo, e isso parece aumentar atolerância das mesmas ao congelamento (Storey e Storey, 1985).Adaptações a ambientes quentesEctotérmicos expostos a temperaturas elevadas podem tentar regular a sua temperaturacorpórea abaixo da temperatura do ar, ou podem usar de adaptações bioquímicas detolerância para altas temperaturas corpóreas. A primeira estratégia da termorregulação sópode ser conseguida através de resfriamento evaporativo, por conseguinte, não estádisponível para os animais aquáticos. A segunda estratégia é o aumento da temperaturacrítica máxima (TCM) (Withers, 1992).Temperatura Crítica MáximaO limite máximo térmico para as células vivas é o ponto de ebulição da água (100°Cà pressão atmosférica normal). Nenhum dos animais ou plantas é capaz de sobreviver atemperaturas próximas do ponto de ebulição, mas algumas bactérias termofílicas podem sedesenvolver a temperaturas acima de 100°C (Brock, 1985)Ao se discutir tolerância a temperaturas extremas, deve distinguir entre as quais umorganismo pode sobreviver e aquelas nas quais pode completar todo o seu ciclo de vida. Atemperatura letal, na qual ocorrem 50% de mortalidade, não pode ser determinada comexatidão, pois o tempo de exposição é de grande importância. A maioria dos invertebrados evertebrados possui TCM acima de 30°C e alguns superam os 40°C, isto é geralmenteconsistente com o grupo taxonômico, mas pode haver considerável variabilidade de acordocom os habitats e com o ambiente termal (Schmidt-Nielsen e Duke, 1996).Alguns fatores que contribuem para a morte por excesso de temperatura são osseguintes (Schmidt-Nielsen e Duke, 1996):- Desnaturação das proteínas, coagulação térmica;- Inativação térmica das enzimas a um ritmo que supera o da formação;- Suprimento inadequado de oxigênio;-Efeitos de temperaturas diferentes (Q10) em reações metabólicas interdependentes;- Efeitos da temperatura nas estruturas das membranas.Resfriamento por evaporaçãoA evaporação dissipa a energia da água. Por conseguinte, a perda de água porevaporação pode dissipar uma quantidade considerável de energia e baixar a temperatura
  • 252. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 244 Julho/2010corpórea. O grau de resfriamento evaporativo depende da umidade relativa do ambiente eda temperatura (Withers, 1992).Alguns animais ectotérmicos possuem mecanismos para manter sua pele úmidadurante a evaporação. Por exemplo, alguns anfíbios espalham com as patas substânciaslipídicas de glândulas dérmicas para prevenir a desidratação da pele, e um alto fluxosanguíneo cutâneo mantém o nível de hidratação da pele. Ectotérmicos terrestres tendem areduzir a evaporação cutânea para evitar a desidratação rápida. Por exemplo, algunsanimais terrestres relativamente impermeáveis são capazes de melhorar o resfriamentoevaporativo regulando a temperatura corpórea a altas temperaturas do ar para aumentarsignificativamente sua perda de água cutânea ou respiratória (Withers, 1992).O lagarto Dipsosaurus dissipa totalmente sua produção metabólica de energia pelarespiração ofegante a uma temperatura do ar (Ta) maior que 40ºC, embora não seja capazde reduzir significativamente a temperatura corpórea abaixo da Ta. O lagarto Sauromaluspode reduzir a temperatura corpórea em aproximadamente 0,9ºC abaixo da temperatura doar e a temperatura do cérebro em cerca de 2,7ºC, através do ofego. As rãs Chiromantis ePhyllomedusa têm significativamente menor perda de água por evaporação do que outrossapos, conseqüentemente, a sua temperatura corpórea é semelhante à temperatura do ar.Ambas Chiromantis e Phyllomedusa podem aumentar drasticamente a perda de água,quando submetidas a altas temperaturas e precisamente regulam a temperatura corpóreaabaixo da temperatura do ar. A Chiromantis apresenta glândulas cutâneas mucosas paraelevar a perda de água da evaporação, enquanto a Phyllomedusa impermeabiliza aepiderme com uma camada de cera (Withers, 1992).Correlações ecológicas em ser ectotérmico(1) São capazes de habitar áreas de grande estresse ambiental;(2) Possuem tamanho corpóreo pequeno, o que faz com que tenham menor necessidadeenergética;(3) O corpo possui um formato (alongado, achatado dorso-ventralmente ou achatadolateralmente) que aumenta a relação superfície/massa;(4) A eficiência da conversão de energia assimilada em biomassa costuma ser maiseficiente em ectotérmicos do que em endotérmicos;(5) Permitem aos ectotérmicos acesso a nichos ecológicos não disponíveis aosendotérmicos.A influência da temperatura nos sistema locomotor dos vertebradosectotérmicos
  • 253. MetablismoJulho/2010 Pág. 245O desempenho locomotor tem sido considerado um bom indicador quantitativo deadequação biológica (fitness) em estudos sobre influência da temperatura no desempenhocomportamental de lagartos (Bennett 1980; Hertz e col., 1983; Huey e col., 1984) eserpentes (Herckrotte,1967; Oliveira e Martins, 2002).Além dos efeitos sobre a locomoção de vertebrados ectotérmicos, a temperaturapode influenciar na magnitude e tipo das respostas comportamentais apresentadas.Mudanças no comportamento defensivo, induzidas pela temperatura, têm sido reportadasem vertebrados ectotérmicos tão diversos como lagartos (Rand, 1964; Hertz e col., 1982;Crowley e Pietruszka, 1983), anfíbios anuros (Gomes e col., 2002), salamandras (Brodie Jr.e col., 1991) e serpentes (Herckrotte, 1967; Arnold e Bennett, 1984; Schieffelin e Queiroz,1991; Keogh e DeSerto, 1994; Mori e Burghardt, 2001).Outros estudos com lagartos mostraram que algumas espécies mudam seus displaysdefensivos com a temperatura ambiental (Hertz e col., 1982; Crowley e Pietruszka, 1983),ou tornam-se mais agressivos e menos propensos á fuga quando a temperatura corpórea ébaixa (Hertz e col., 1982). Estudos com serpentes sugerem que também neste grupo hámodulação do comportamento defensivo induzido pela temperatura corpórea. Nos estudosfeitos por Arnold e Bennett (1984) foi observado que serpentes se tornam mais agressivas,com maior exposição da cabeça e com maiores tentativas de bote, quando apresentambaixas temperaturas corpóreas.Considerações finaisDesta forma podemos observar que nos animais ectotérmicos, a maioria dasatividades fisiológicas são depende da temperatura do corpo, sendo que a mesma estádiretamente relacionada com a temperatura do ambiente. Muitos processos bioquímicos efisiológicos são a base do padrão comportamental e são dependentes da temperatura(Bartholomew, 1982). Sabemos que vários fatores (abióticos e bióticos) podem influenciarnos padrões de comportamentos nos animais. Entre os fatores abióticos, a temperaturapode influenciar diretamente o seu metabolismo e conseqüentemente na sua atividade(Lillywhite 1987). De acordo com Shine e col. (2000), a temperatura do corpo pode ser umadas mais importantes influências no comportamento anti-predador em vertebradosectotérmicos, pois a temperatura irá determinar a habilidade do animal para detectar, repelirou escapar do predador.
  • 254. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 246 Julho/2010
  • 255. MetablismoJulho/2010 Pág. 247Termorregulação em endotérmicos:febre e anapirexia. “Ana” o quê?Carolina da Silveira ScarpelliniLab. de Fisiologia, Departamento de Morfologia e Fisiologia AnimalUNESP/Jaboticabalcarolinascarpellini@gmail.comConforme visto no capítulo anterior, geralmente a Tc de ectotérmicos (peixes,anfíbios, répteis e alguns invertebrados) varia conforme a temperatura ambiente. Entretanto,a maioria das espécies endotérmicas – aves e mamíferos – praticamente não tem sua Tcalterada diante de uma ampla faixa de flutuação da Ta (Bícego e col., 2007).Os endotérmicos regulam a Tc por meio de mecanismos termorreguladoresautonômicos além daqueles comportamentais já apresentados também pelos ectotérmicos.Os mecanismos autonômicos podem ser divididos em duas grandes categorias: os deganho e os de perda de energia térmica (Branco e col., 2005). Os mecanismos de ganho,por sua vez, podem ser subdividos em: conservação e produção de energia térmica.A conservação de energia térmica nos mamíferos ocorre principalmente porvasoconstrição periférica e piloereção, enquanto que os mecanismos de produção deenergia térmica incluem aqueles resultantes do metabolismo basal, os dependentes e osindependentes de tremor da musculatura esquelética (Bícego e col., 2007). A produção deenergia térmica resultante do metabolismo basal constitui a conhecida “termogêneseobrigatória”, uma vez que todos os processos metabólicos de um organismo resultam naliberação de energia sob a forma de calor. O tremor consiste em movimentos involuntáriosda musculatura esquelética sem que haja alteração na posição do corpo. Assim, como nãohá trabalho mecânico, praticamente toda a energia é liberada na forma de calor (Branco ecol., 2005). A produção de energia térmica independente de tremor pode ser originada nomúsculo esquelético de aves (Bicudo e col., 2002) e no tecido adiposo marrom demamíferos placentários (humanos, ratos, morcegos,...). Este último, localizado próximo àsescápulas e aos rins, é de especial importância para os animais de pequeno tamanho,recém-nascidos e aclimatados ao frio (Mackowiak, 1998; Branco e col., 2005).Como já mencionado no capítulo 1, o tecido adiposo marrom é bastantevascularizado e apresenta alta densidade de mitocôndrias. Neste tecido os ácidos graxos,derivados da degradação dos triglicerídeos dos adipócitos, servem como substrato paraoxidação na mitocôndria. Nas mitocôndrias das células em geral, a oxidação dos substratosresulta em um gradiente de prótons entre o espaço intermembrana e a matriz mitocondrial.Os prótons retornam para a matriz mitocondrial através da enzima ATP sintase, resultandona formação de ATP. Como já discutido anteriormente, a UCP1, também chamada
  • 256. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 248 Julho/2010Termogenina, é encontrada na membrana interna das mitocôndrias e providencia uma viaalternativa para o fluxo de prótons independente da ATP sintase, logo grande parte daenergia da oxidação dos ácidos graxos é dissipada como energia térmica, contribuindo parao aquecimento dos animais (Fig. 1).Por fim, os mecanismos de perda de energia térmica são basicamente: vasodilataçãoperiférica, sudorese (único meio de perder energia quando a Ta é maior que a Tc e éextremamente importante para humanos, equinos e bovinos) e ofegação (importante paracães, gatos, ovelhas e aves). A ofegação se dá pela inspiração do ar atmosférico atravésdas vias aéreas e a expiração através da abertura oral. A exposição da língua ao arfavorece a evaporação da água da saliva e contrui para a dissipação da energia térmicacorpórea (Randall, 1997).Os mecanismos comportamentais estão relacionados ao contato com superfíciesmais quentes ou mais frias ou à adoção de posturas corporais que facilitem ou evitem atroca de energia térmica entre o animal e o ambiente, como visto também para ectotérmicos.Um comportamento muito comum em ratos é espalhar saliva sobre os pêlos quandoexpostos a um ambiente quente, o que promove uma perda evaporativa de energia térmicanesses animais (Bícego e col., 2007).No sistema nervoso central (SNC) de vertebrados há uma região chave no controledos mecanismos termorreguladores, principalmente autonômicos, denominada área pré-Figura 1- Representação do fluxo de prótons entre oespaço intermembrana e a matriz em uma mitocôndria.A seta tracejada representa a via pela qual os íonsatravessam a membrana interna durante a síntese deATP. A seta contínua que atravessa a proteínadesacopladora (termogenina) indica o caminho dosprótons durante a dissipação de energia térmica natermôgenese sem tremor (Modificado de Nelson e col.,2004).
  • 257. MetablismoJulho/2010 Pág. 249óptica do hipotálamo anterior (APO). A APO situa-se na transição entre o diencéfalo e otelencéfalo (Fig. 2) e é considerada termossensível (pois detecta as alterações térmicaslocais), além de termointegradora, já que recebe informações térmicas de várias regiões doorganismo por meio dos termorreceptores cutâneos e/ou espinais. Ainda, a APO contémneurônios sensíveis ao aumento de temperatura que, segundo o modelo proposto porHammel (1965) e modificado posteriormente por Boulant (2006), quando ativados pelostermorreceptores cutâneos e espinais ou pela alteração local da temperatura, estimulam aperda e inibem a produção de energia térmica levando à manutenção da Tc. Por outro lado,quando esses neurônios são inibidos pela queda nas temperaturas ambiente e/ou local,ocorre uma redução na perda e um aumento na produção de energia térmica comconsequente manutenção da Tc (Matsuda e col., 1992; Boulant, 1998; Bícego e col., 2007).Estados térmicosOs endotérmicos podem apresentar cinco estados térmicos: eutermia, hipertermia,hipotermia, febre e anapirexia (Gordon, 2001). Quando o animal apresenta uma Tcconsiderada típica para sua espécie, diz-se que ele está em eutermia. Para a manutençãoda eutermia, o animal pode ou não empregar energia além daquela já consumida pelometabolismo basal. Quando a eutermia é mantida apenas por meio do metabolismo basal,isto é, quando nem os mecanismos de produção nem os de perda de energia térmica sãoFigura 2- Esquema de um corte sagital do encéfalo humano mostrando a localização da APO.(http://healthysleep.med.harvard.edu/_i/198.jpg).
  • 258. VII Curso de Inverno: “Tópicos em Fisiologia Comparativa”Pág. 250 Julho/2010··ativados, diz-se que o animal está dentro da zona termoneutra (ZTN) ou zona de confortotérmico da sua espécie. Dessa forma, ZTN é a faixa de Ta na qual não há gasto extra deenergia para que a eutermia seja mantida. Por exemplo, a Tc em eutermia para humanos éaproximadamente 37ºC (lembrando que esse valor muda ao longo de 24 horas) e,geralmente, a ZTN para humanos adultos nus, encontra-se entre 28 e 30ºC (Blatteis, 1998).Assim, quando a Ta ultrapassa pouco o limite crítico inferior ou superior da ZTN, a energiaextra é empregada para manter a eutermia. Entretando, se a Ta aumenta ou reduzextremamente, nem mesmo a ativação dos mecanismos de perda ou de produção deenergia térmica é suficiente para a manutenção da eutermia e a Tc acaba acompanhandotais alterações, resultando nos estados de hiper ou hipotermia, respectivamente, que sãoconsequências de falhas do sistema termorregulador em manter a eutermia (Fig. 3).Figura 3- Esquema de três estados térmicos: eutermia, hipotermia e hipertermia. A linha tracejadarepresenta as variações de VO2 em relação à Ta. A linha contínua representa as variações da Tc emrelação à Ta. VO2, consumo de O2; TCI, temperatura crítica inferior; TCS, temperatura crítica superior;Tc: temperatura corporal.Na hipertermia moderada, a vasodilatação não compromete a oferta de sangue paraoutros tecidos porque há uma redistribuição do débito cardíaco. Essa redistribuição se dápela redução da perfusão para os tecidos não vitais ou para aqueles que recebem maissangue que o necessário considerando o metabolismo local. Porém, na hipertermia severa,a vasodilatação pode ser tão intensa que conflita com os mecanismos de regulação dapressão arterial causando o chamado heat stroke, ou choque térmico. A hipertermia severaresulta em edema nos membros inferiores, tontura, exaustão, dor de cabeça, vômito ediarréia (Branco e col., 2005). Já a hipotermia severa pode causar redução na velocidade de
  • 259. MetablismoJulho/2010 Pág. 251condução dos impulsos nervosos culminando em comprometimento da coordenaçãomotora, amnésia, alucinação, decréscimo da frequência respiratória, dentre outros, podendolevar o indivíduo ao coma.Os outros estados térmicos (febre e anapirexia) referem-se a alterações reguladasda Tc. Na febre, mecanismos de ganho de energia térmica são ativados induzindo oaumento da Tc (Kluger, 1991) e, durante a anapirexia, mecanismos de perda de energiatérmica são ativados reduzindo a Tc (Gordon, 2001; Steiner e Branco, 2002). Note que osmecanismos ativados durante a febre são opostos àqueles ativados durante a hipertermia.O mesmo vale para os mecanismos ativados durante a anapirexia e a hipotermia.Nesse contexto, há situações em que é mais vantajoso para o organismo um aumento ouuma queda regulada da Tc do que a manutenção da eutermia. Veremos a seguir quais sãoessas situações e porque, nestes casos, a febre ou a anapirexia são mais benéficas aoorganismo que a eutermia.FebreA febre, como mencionado anteriormente, é um aumento regulado da Tc, pois écontrolada por sinais encefálicos que ativam os mecanismos de ganho de energia térmica,diferentemente do que ocorre na hipertermia que também é um aumento da Tc, porémdevido a falhas no sistema termorregulador. Para o desenvolvimento da febre em umambiente com Ta baixa, é necessária intensa produção de energia térmica além de reduçãona sua perda, enquanto em um ambiente com Ta alta, apenas uma diminuição da perda deenergia térmica pode ser suficiente para elevar a Tc aos níveis febris. A hipertermia, poroutro lado, é mais dependente da Ta: em uma Ta baixa a hipertermia dificilmente ocorrerá.Deve ser lembrado que valores de Tc muito altos e por muito tempo não sãobenéficos, pois podem causar desidratação, delírio, lesões no encéfalo, convulsões, dentreoutros prejuízos. O aumento na produção de energia térmica, em decorrência dodesenvolvimento da febre, implica no aumento da taxa metabólica e isso pode representarum perigo extra para indivíduos com substratos metabólicos limitados como recém-nascidos, idosos e subnutridos. O limiar da Tc a partir do qual a febre é consideradaperigosa para a sobrevivência do indivíduo ainda é algo muito discutível entre ospesquisadores: alguns consideram 39ºC, enquanto