Biosau2/UFRJ - Prof. Rodrigo Tema: Cellular scaling rules for primate brains

1. Grupo:
Bernardo Alencar; Filipe Tinoco; Keli Tavares; Larissa Sousa; Luis Fernando
Menezes; Luiz Fernando Miranda

2. Diz-se que os primatas são mais desenvolvidos cognitivamente que os
roedores de mesmo tamanho cerebral.
Estudos em geral são feitos envolvendo espécies de
tamanho cerebral diferentes. A idéia é fazer uma
pesquisa que envolva animais de diferentes
espécies e de diferentes alcances cognitivos, mas
que tenham um tamanho cerebral similar. Espera-se
encontrar composição celular diferente entre esses
animais.
Mostrou-se também que a razão glia/neurônio
aumenta conforme o tamanho cerebral
aumenta e que a razão massa neuronal/massa
não-neuronal permanece constante dentre as
espécies de roedores.

3. Em estudos anteriores com roedores, foi mostrado que a média do tamanho
dos neurônios se torna maior conforme o tamanho cerebral aumenta,
enquanto que a média do tamanho das células não-neuronais permanece
comparativamente estável.
Objetivou-se então pesquisar se a mesma escala
poderia ser aplicada a mamíferos pois, desta forma,
poderia se afirmar até que ponto a evolução
manteve as características de um mesmo ancestral
evolutivo. Focou-se, então, nos primatas.
Utilizando a mesma escala de número de neurônios para tamanho cerebral
encontrada para os roedores, matematicamente calculou-se que, um cérebro
da mesma escala que o nosso (com cem bilhões de neurônios) pesaria 45 kg e
pertenceria então a um corpo pesando 109 toneladas - o equivalente a uma
baleia azul.

4. Esse cálculo mostrou o quão diferente pode
ser a regra para escala celular entre roedores e
primatas, o que não é surpresa, já que as
habilidades cognitivas de um roedor e de um
primata de mesmo tamanho cerebral são bem
diferentes.
Para determinar as semelhanças e diferenças
entre as regras de escala entre roedores e
primatas foi usado o método de fracionamento
isotrópico em seis diferentes espécies da ordem
dos primatas.

5. Animais jovens: 3 Saguis (Callithrix jacchus)a, 3 Galagos (Otolemur
garnettii)b, 2 Macacos-coruja (Aotus trivirgatus)c, 2 Macacos-esquilo
(Saimiri sciureus)d, 2 Macacos rhesus (Macaca mulatta)e, 2 musaranhos
(Glis tupaia). 1 macaco-prego (Cebus apella)g
b f
d
a
g
c e

6. Dissecação: sacrifício com
injeção letal, retirada da amostra
cerebral, pesagem, fixação,
conservação tecidual, dissecação
de áreas de interesse e
processamento do hemisfério.
Contagem de células: áreas cerebrais
submetidas a fracionamento isotrópico (com
base nos núcleos celulares)

7. Tabela 1. Comparativo da composição celular do cérebro de “mussaranho”¹ e seis
espécies de primatas.
Espécies Massa Corpórea, Massa Cerebral, g Total de neurônios, 106 Total de não neurônios,
g 106
Mussaranho¹ 172.5 +/- 3.5 2.752 +/-0.011 261.40 199.65
Sagüi 361.0 +/- 1.4 7.780 +/- 0.654 635.80 +/- 115.73 590.74 +/- 70.81
Galago² 946.7 +/- 102.6 10.150 +/-0.060 936.00 +/- 115.36 666.59 +/- 63.50
macaco coruja 925.0 +/- 35.4 15.730 1,468.41 1,195.13
4
Macaco esquilo n.d.a 30.216 3,246.43 2,075.03
Macaco rhesus 3,340.0 52.208 3,690.52 3,297.74
Macaco prego 3,900.0 87.346 6,376.16 7,162.90
Variação, macaco/sagüi 10.8 x 11.2 x 10.0 x 7,162.90

8.  Tabela 1. Os resultados encontrados e
descritos na tabela serão usados nas análises
subsequentes.

10.  MBR de diferentes espécies de primatas e de mussaranho se elevam
como uma função linear da quantidade total de neurônios (a) e não
neuronais (b). Cada ponto representa a média para cada a espécie.
 (A) Variações na MBR em função do número de neurônios no cérebro
(NNbr) são igualmente bem descritas por uma equação linear e por uma
função de potência. Massa cerebral por massa de neurônios.
 (B) Variações inMBR em função do número de células neuronais no
cérebro são igualmente bem descritas por outra equação linear e pelo
poder função. Massa cerebral por massa de células não-neuronais.

12.  Porcentagens de massa (a), número de neurônios (b) e
número de células não neuronais (c) contido no córtex
cerebral (círculos preenchidos), cerebelo (círculos abertos), e
as estruturas remanescentes (triângulos preenchidos) em
relação a todo o cérebro de cada espécie.
 As espécies seguem o padrão da função linear, descrita no
primeiro experimento. Logo, (a) trata-se de da massa
cerebral total pela porcentagem em massa dessas
determinadas áreas (córtex, cerebelo e Re); (b) Relaciona o
número total de neurônios nessas áreas pela massa total do
cérebro; (c) relaciona o número total de células não-
neuronais nessas áreas pela massa total do cérebro.

14.  Regras de dimensionamento celular para o cérebro dos primatas.
 (A) Estrutura de massa em função do números de neurônios na estrutura.
 (B) Estrutura de massa em função do número de “não neurônios” na
estrutura.
 Cada ponto representa os valores médios de uma espécie.
 Círculos cheios, o córtex cerebral (Cx); círculos abertos, cerebelo (Cb);
triângulos preenchidos, as estruturas remanescentes (Re).

16.  Variação neuronal (a) e não neuronais (b)
 A densidade das células cerebrais no córtex, cerebelo e áreas
remanescentes conspiraram contra MBR. Nenhuma correlação atinge
significância (todos os valores menores de 0,05). Cheio círculos, o córtex
cerebral (Cx);.............................................................................................

18.  A quantidade de não-neurônios varia linearmente com a quantidade de
neurônios em cada estrutura.
 (A)No córtex cerebral, cerebelo e áreas remanescentes. Foram
mostrados como uma função da numeração total de neurônios nessas
estruturas. Funções expoentes são mostradas, mas os gráficos são tão
bem equipados com funções lineares.
 (B) Relação de não-neuronais ou células neuronais em cada estrutura
mostradas contra massa da estrutura. Nenhuma correlação significativa
é encontrada através dessas espécies de primatas.
 Círculos cheios, o córtex cerebral (Cx); círculos abertos, cerebelo (Cb);
triângulos preenchidos, as estruturas remanescentes (Re).

19. •A principal diferença nas regras de dimensionamento celular para cérebros de
roedores e de primatas é que, no último, aumento do número de neurônios não
é acompanhado por diminuição densidade neuronal, indicando que o tamanho
médio das células neuronais permanece estável em espécies primatas;
•A densidade neuronal constante em cada estrutura do cérebro entre as espécies
de primatas está em contraste com a densidade neuronal encontrada em
cérebros maiores na ordem Insectivora, dentro da ordem Rodentia e em outras
ordens de mamíferos, mas é consistente com os resultados de um grande estudo
comparativo se apenas os seus dados de primatas são considerados;
•Os cérebros de primatas podem conter mais neurônios do que os cérebros de
roedores de tamanho equivalente;
•O maior número de neurônios por unidade de volume, presumivelmente dota
primatas com uma maior capacidade computacional do cérebro quando
comparado aos de roedores de tamanho equivalente;

20. •Uma conseqüência importante do tamanho da célula neuronal e de sua
densidade estável é que o aumento cérebros de primatas em tamanho ocorre
linearmente como o ganho de neurônios;
•Este resultado sugere que tenha havido uma pressão seletiva contra os
aumentos no tamanho neuronal médio, para que o cérebro se torna muito
grande com os ganhos de neurônios;
•Este tipo de acréscimo permitiu ao cérebro dos primatas acumular um grande
número de neurônios, sem se tornar excessivamente grande;
•Estes resultados sugerem que a divergência da evolução dos primatas em
relação ao seu ancestral comum com os roedores, favoreceu a concentração de
um maior número de neurônios por unidade de volume do tecido cerebral;
•Esta descoberta implica obviamente que os micro circuitos neuronais diferem
no cérebro de primatas e roedores;

21. Volume e medições de superfície do córtex cerebral e cerebelo: indicadores da
capacidade computacional destas estruturas, com a suposição de que eles variam
diretamente em função do NN nessas estruturas modulares;
Embora o tamanho da estrutura absoluto é uma função do seu NN, a incapacidade
de encontrar uma correlação significativa entre a massa cortical relativa e relação
NN questiona a validade das conclusões anteriores, com base na massa relativa.
A conclusão de que os primatas têm uma NN muito maior do que os roedores
dentro das estruturas do mesmo tamanho mostra que o volume do cérebro não
pode ser utilizado indiscriminadamente como uma proxy para NN ou capacidade
computacional através de ordens de animais.
O significado cognitivo e ecológico das espécies diferentes no tamanho do cérebro
através de ordens devem ser reavaliados, analisando o número de células neuronais
e não neuronais, e não apenas o volume ou a superfície do cérebro.

22. ÍNDICE GLIA/NEURÔNIO
•Nos primatas examinados, a razão entre células não-neuronais e neuronais não se
correlacionam com MBR. Este resultado está em contraste com a opinião generalizada de
que, como um todo, índice glia/neurônio aumenta, juntamente com MBR;
•Neste sentido, é interessante que a razão glia/neurônio documentada do córtex cerebral
humano é semelhante aos valores encontrados para as espécies menores primatas
examinados aqui. Embora um estudo recente constatou que a razão glia/neurônio não
aumenta com o aumento no peso do cérebro dos primatas antropóides;
•As medidas foram limitados a duas camadas de uma determinada área cortical, ao invés
de todo o córtex cerebral. A conclusão de que o cérebro do primata aumenta de tamanho,
sem qualquer predominância numérica crescente de células gliais.
•Isto desafia a noção de que uma maior proporção glia/neurônio seria necessário para
atender às maiores necessidades metabólicas provavelmente associada com o aumento
no tamanho do cérebro, tendo em vista a contestação recente pela observação de que a
necessidade de apoio metabólico neuronal é semelhante entre as espécies. Pelo
contrário, a proporção de neurônios da glia / pode ser regulado por fatores de massa em
desenvolvimento;

23. •Nos primatas, bem como os roedores, a proporção do total massa neuronal/não-neuronais
no cérebro é mantida constante através das espécies. Dado que NN e NNN nos cérebros de
primatas são linearmente relacionadas entre si e os seus tamanho médio das células, não
parece que variam com a MBR, o aumento da massa neuronal total é, portanto,
acompanhado por um aumento igual em massa não neuronais total.
•Sugere-se que essa correspondência poderá ser alcançado se o aumento da proliferação
neuronal que tem sido propostos para impulsionar o crescimento cortical entre espécies é
acompanhada por uma proliferação glial precursor densidade-dependente.
•Esta sugestão foi baseado nas observações que a gliogênese só começa após o
nascimento, uma vez que a neurogênese é longa e que a proliferação glial é precursor
densidade-dependente e cessa quando a densidade de estado estacionário glial foi
atingido, provavelmente através de inibição por contato.
•Notavelmente, embora a densidade neuronal é maior em primatas do que em roedores, a
densidade de células neuronal é semelhante em todas as estruturas do cérebro e em todas
as espécies de primatas e roedores examinados até agora.

24. •Esse achado é consistente com a observação de que, em ambas as ordens,
muda muito pouco o tamanho de células não neuronais, com o tamanho do
cérebro aumentando.
•Esta constatação é também coerente com a sugestão de que o NNN em
qualquer tecido do cérebro e, em qualquer espécie de mamíferos, é regulada
pelo NN, por meio de gliogênese;
•Assim, a razão glia/neurônio resulta de mecanismos que mantêm constante a
razão total da massa neuronais e não-neuronais. Quando aumenta o tamanho
do cérebro, juntamente com o aumento do tamanho médio neuronal, como os
roedores, a razão glia/neurônio aumenta. Quando aumenta o tamanho do
cérebro na ausência de mudanças significativas no tamanho neuronal média, a
proporção glia/neurônio permanece constante, como nos primatas analisados
aqui.

25. •Os dados atuais e os dos roedores apoiam a conclusão inesperada de que
cérebros maiores não tem maior número relativo de neurônios no córtex
cerebral.
•Nas espécies de primatas analisados, tanto o córtex cerebral e o cerebelo
representam frações de MBR que não co-variam significativamente com o
aumento do tamanho do cérebro.
•No entanto, o tamanho relativo cortical é visto como aumentado
significativamente com o aumento do tamanho do cérebro quando espécies
maiores, como os grandes símios e os seres humanos, são considerados. Uma
vez que estes primatas são adicionados à comparação, será interessante para
resolver se as regras de dimensionamento celular aqui se aplicam aos macacos e
seres humanos.

26. •No entanto, de acordo com essas regras, um cérebro de primata contendo 100
bilhões de neurônios (um número de aproximar os neurônios em um cérebro
humano) seria esperado que pesasse1, 450 g e pertencem a um corpo de 72,7 kg,
valores que correspondem a massa média dos cérebro e do corpo humano.
•O presente estudo, assim, levanta a intrigante possibilidade de que os seres
humanos e seus cérebros são, afinal, as versões isometricamente supra-
escaladas de um plano comum dos primatas.

27.  Nenhum animal foi sofreu qualquer tipo de
maus-tratos na execução desse trabalho.
Quer?!?
 ”se formos considerar somente o número de
neurônios, nós, humanos , não temos nada de
especial se comparados aos primatas da nossa
linha evolutiva.“ Roberto Lent