Pesquisar

         twitter logo  You Tube   

Enquete

Acesso o site...
 



Nosso boletim

Visitantes

Nós temos 68 visitantes online

Cadastro de Professores

                  
AddThis Social Bookmark Button
Fronteiras em neurociência: é possível hackear o cérebro?
Ter, 17 de Março de 2015 00:00

No Adote um Cientista do dia 25 de setembro de 2014, o neurocientista e parceiro de longa data da Casa, Dr. Cleiton Lopes Aguiar, trouxe aos participantes do programa um questionamento que seria esperado em filmes de ficção-científica: é possível hacker o cérebro como se ele fosse um computador?

Cleiton, que é formado em biologia e faz pós-doutorado na Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (FMRP-USP), começou sua fala contando aos alunos o icônico caso de Phineas Gage, um operário americano que sobreviveu a um acidente de trabalho após uma barra de ferro perfurar completamente seu crânio, destruindo seu lobo frontal esquerdo. O acidente, que ocorreu em 1848, não impressiona apenas pela sobrevivência do operário, mas pelos desdobramentos que a perfuração em parte de seu cérebro causou. Foram observados diversos efeitos comportamentais em Phineas, que foram documentados e estudados por cientistas e médicos da época. Descrito, antes do acidente, como um trabalhador responsável, dedicado e sempre em bons termos com os colegas ao seu redor, ele teria se tornado, após o acidente, grosseiro, desequilibrado e impaciente – o que marcou uma grande mudança de personalidade. Phineas Gage deixou de ser Phineas Gage após ter parte de seu cérebro danificado. E essa é uma constatação que pode dizer muito sobre quem somos.

A partir desse caso famoso da literatura científica, Cleiton incitou o questionamento: se a personalidade está no nosso cérebro, como podemos testar e estudar isso em laboratório? Com essa questão lançada, ele mostrou aos alunos um elegante experimento realizado com camundongos, no qual cientistas se tornam capazes de decidir se o animal irá ter fome ou não - controlando, assim, alguns aspectos de seu comportamento:

 

 

  

Cleiton: Como vocês explicariam isso?

Aluna: Não sei, mas pode ter a ver com estimular o fluxo de sinapse em uma região... no caso a [região] que estimula a fome?

Cleiton: Ok... (...) Mas o que é sinapse?

Aluna: É, eu não sei explicar... é tipo um sinal eletrônico, não é? Que estimula... que leva informação para um determinado lugar, determinada região. E, aí no caso, estimula a pessoa a fazer aquilo...

Cleiton: Legal! Bom, você levantou alguns conceitos interessantes. Não especificamente sobre a sinapse, mas sobre informação, sobre eletricidade. Tem eletricidade no cérebro? Que tipo de eletricidade? (...) É pouca eletricidade? Quão diferente nosso cérebro é de um computador?

 

Para chegar à grande questão da tarde e descobrir se é possível ou não hackear o cérebro, Cleiton propôs aos alunos um caminho com quatro desafios para chegar à essa resposta. Com o intuito de fornecer as bases científicas por trás da técnica apresentada no vídeo e discutir o que se esperar dessa linha de pesquisa em trabalhos futuros, o neurocientista teve que começar de uma escala molecular: nos canais iônicos da membrana plasmática dos neurônios.

 

Desafio um: Identificar quais são os mecanismos responsáveis pela criação e manutenção de uma diferença de concentração iônica entre o neurônio e o ambiente extracelular.

O potencial de repouso da membrana plasmática é a diferença de cargas elétricas entre os meios intra e extracelular quando o neurônio se encontra em repouso. Para compreender esse conceito, é preciso entender que moléculas estão sujeitas à difusão, um processo no qual as moléculas tendem a passar de uma região mais concentrada para outra menos concentrada. A membrana plasmática do neurônio possui permeabilidade seletiva a alguns íons e isso faz com que a concentração destes fora e dentro da célula seja diferente. Essa diferença de concentração de íons – que possuem cargas elétricas, chamados de cátions (os com carga positiva) e ânions (os com carga negativa) – gera o potencial de repouso. Dentre os íons, o potássio (K+) é o mais importante na manutenção do potencial de repouso dos neurônios, pois seus canais iônicos ficam sempre abertos, ao contrário dos de Na+ e Cl-. As concentrações de Na+ e K+ são mantidas diferentes no meio intracelular daquela no meio extracelular por meio de bombas proteicas transmembrana que, com gasto energético, são as responsáveis por transportar Na+ para fora da célula e K+ para dentro. .

 

Desafio dois: Reconhecer os passos fundamentais para que o neurônio envie informação.

Após explicar o que mantém o potencial de repouso da membrana, Cleiton afirmou que o segundo passo seria entender como uma informação é transmitida ao longo de vários neurônios. Para iniciar esse segundo desafio, o pesquisador exibiu um vídeo de alguns segundos, no qual alguns dominós em pé e enfileirados são derrubados quando uma pessoa dá um toque no primeiro deles: rapidamente, o efeito dominó derruba todas as peças que estavam em pé.

 

Cleiton: Por que eu estou mostrando isso? O que isso tem a ver?
Aluno A: Carga elétrica.
Cleiton: Está muito simples essa resposta...
Aluno B: Literalmente um efeito dominó, mas com os neurônios...
Cleiton: Ainda não estou inteiramente convencido!
Aluno C: O toque do dedo seria o impulso... e os dominós caindo seria a informação passando pelos neurônios.
Cleiton: Os neurônios ou apenas um neurônio?
Aluno C: Apenas um neurônio, mas passando pelos outros...
Cleiton: Ainda não, mas você chegou perto!
Aluno D: Seria porque um toque, um impulso, geraria uma informação passando muito rápido, como um efeito dominó mesmo.
Cleiton: Onde?
Aluno D: Pelo neurônio, através das sinapses!
Cleiton: Não... alguém mais?
Aluno E: Seria a eletricidade passando dentro de um neurônio?
Cleiton: De um neurônio? E qual a ideia do efeito dominó ali?
Aluno E: A velocidade dele passando, e a informação.
Cleiton: Mas, aí, eu poderia fazer simplesmente um risco, não precisava utilizar o dominó. Por que a relação foi feita com o dominó e não apenas um traço de lápis?
Aluno F: Porque você tem que passar pela bainha de mielina, e quando você passa tem espaços entre essas continuidades e você vai passando dentro de cada, e vai passando... essa é a passagem do impulso elétrico.
Cleiton: Mas, na verdade, esse modelo é utilizado para neurônio desencapado, sem bainha ainda.

  

A analogia utilizada pelo pesquisador era em relação ao conceito de “tudo-ou-nada”: assim como ocorre na fileira de dominós, onde a queda de uma peça implica na queda de todas as outras, ocorre em um neurônio – se o impulso começa a ser transmitido, não há volta. Portanto, quando um neurônio é estimulado (no caso, quando a primeira peça do dominó é empurrada pelo dedo), isso desencadeará um impulso elétrico que será transmitido ao longo de toda a célula (a queda da primeira peça leva à queda da segunda, que derruba a terceira, e assim por diante).

Mas como isso se relaciona com o desafio anterior? Alguns canais iônicos só se tornam permeáveis a determinados íons quando a corrente elétrica passa pela membrana. Por isso, a chegada de um estímulo aos dendritos causará a abertura de canais de íon que irão permitir a movimentação de cargas para fora ou para dentro da célula. Isso irá modificar o potencial de repouso da membrana, gerando uma corrente elétrica. A abertura do primeiro canal, então, estimulará a abertura do segundo, e assim por diante, fazendo com que o impulso passe pelo axônio e chegue às suas ramificações. Esse é o chamado potencial de ação, característico da passagem de informação pelo neurônio. Após passar pelo axônio (que é uma espécie de condutor de eletricidade), o impulso chega à fenda sináptica, que é o espaço entre um neurônio e outro.

Todo esse processo ocorre muito rapidamente e é seguido de um período refratário, que dura um milissegundo. Embora pareça um tempo muito curto, é suficiente para que alguns efeitos interessantes sejam observados: por exemplo, quando observamos uma roda de um carro girar muito rapidamente, deixamos de ver seus aros – isso ocorre porque a velocidade do giro dos aros é superior ao número de imagens que a retina pode capturar, ou seja, mais de uma rotação a cada um milissegundo.

 

Desafio três: Relacionar os conceitos de potencial de membrana e condução de impulso elétrico com a comunicação entre neurônios.

Ao chegar à fenda sináptica, será determinado se o impulso elétrico será passado ao próximo neurônio ou não, estimulando ou inibindo o neurônio seguinte. Neurônios de estimulação desencadeiam o potencial de ação de outros neurônios, enquanto neurônios inibitórios inibem esse potencial e mantêm o potencial de repouso da membrana. Para excitar um neurônio, porém, o estímulo tem que atingir um limiar de disparo do potencial de ação: é como se o dedo que derruba o primeiro dominó precisasse tocá-lo com uma força mínima para que essa peça caia. A sinapse ocorre, portanto, entre o axônio de um neurônio e espinhas dendríticas (ramificações do dendrito) de outro. Além disso, há milhares de espinhas dendríticas em um único neurônio, ou seja, milhares de estímulos podem chegar a uma mesma célula: é como se 10 mil pessoas estivessem atrás da pessoa dizendo “derrube” ou “não derrube” a primeira peça do dominó, e cabe a essa única pessoa decidir se derrubará ou não.

Cleiton fez, aqui, uma comparação entre neurônios e instrumentos musicais. Instrumentos musicais possuem ritmo e melodia. Neurônios, por sua vez, possuem apenas ritmo. O ritmo do neurônio é bem simples: disparar (potencial de ação) ou não (potencial de repouso). Para cada neurônio, existe um ritmo de atividade. As células da retina, por exemplo, distinguem as cores porque cada cor evoca um ritmo de disparo de um neurônio.

Esse padrão, disparar ou não, lembra algo bastante característico dos sistemas operacionais de computadores: 1 ou 0 – o sistema binário.

 

Desafio quatro: Como, então, hackear o cérebro?

A resposta para essa pergunta é mais simples do que parece: para hackear o cérebro, é preciso inventar um estímulo que possa ser controlado (ligado ou desligado, por exemplo). No caso do vídeo apresentado no início do encontro, o estímulo era a luz e ligar ou desligar esse estímulo também “liga” e “desliga” a sensação de fome no camundongo. E isso é possível devido a um recente ramo da neurociência: a optogenética.

Com essa técnica, é possível expressar uma proteína em subtipos específicos de células, que permitirá entender a participação dessas células em determinados fenômenos e comportamentos, como a fome. Além disso, como demonstrado nesse experimento, é possível controlar essa célula, controlando, assim, a fome. “Na analogia do dominó, o laser acaba sendo o dedo do cara que derruba a primeira peça da fileira. (...) Você engana o neurônio, você faz parecer que está chegando estímulo de outro neurônio quando, na verdade, o que está chegando é luz. Esse é o sentido aqui, mostrar que é possível hackear (...) substituindo o estímulo de outro neurônio pela luz.”, explicou Cleiton.

 

Aluno: Quando não tem o estímulo de luz, o neurônio continua recebendo estímulo de outros neurônios?
Cleiton: Sim. São dez mil impulsos de outros neurônios que chegam em cada um deles, o tempo todo. Aí você poderia perguntar: “quando eu jogo a luz, eu estou competindo com esses outros dez mil?”. É uma boa pergunta. De fato, dependendo da intensidade da luz e do sensor que estiver ali, você pode jogar a luz e nada acontecer. Você tem que colocar uma quantidade grande de sensores na superfície do neurônio, a ponto de cobrir essa membrana toda, para que quando você quiser ativar, a incidência de luz seja suficiente para estimular a atividade dele.

 

Aluna: É qualquer tipo de luz?
Cleiton: Não, e isso que é legal. Inclusive, estão sendo clonados vários tipos de sensores de diversas algas, porque é um espectro específico de luz. É a luz azul que ativa esses neurônios. Tem algumas outras algas e bactérias que respondem à luz laranja. Então, é um comprimento de onda bastante específico que ativa. Você inclusive pode colocar dois tipos de sensores e, mudando o comprimento de onda, você liga e desliga o neurônio.

 

Aluno: É possível, caso tenha uma incidência muito grande dessa luz, o animal acabar morrendo por excesso?
Cleiton: É fantástica essa pergunta. E é um dos desafios. Se você utilizar uma alta incidência de luz, você pode superaquecer os neurônio e, inclusive, causar a morte dele. A quantidade de luz necessária para conseguir ativar esses sensores é muito pequena. Quando pesquisadores submetem trabalhos com essa técnica, uma das primeiras perguntas feita é se eles não estão usando luz demais, o que pode gerar superaquecimento dos neurônios. Mas morte do organismo não; superaquecimento e morte de neurônios sim.

 

Outro experimento utilizando a optogenética foi descrito pelo pesquisador. Nesse experimento, foram introduzidas memórias falsas em um camundongo. Para isso, cientistas mapearam quais neurônios estão associados com o medo nesses animais, que apresentam um comportamento de freezing (eles ficam imóveis, como se estivessem congelados) quando estão amendrontados. Após identificar essas células, os cientistas conseguiram, através de luz, ativar ou desativar o medo nesses camundongos, assim como no caso da fome.

 

Aluno: E com a gente, dá pra fazer isso?
Cleiton: É a próxima pergunta natural, né. Realmente. O pesquisador que desenvolveu a técnica, o Prof. Edward Boyden, está investigando em primatas não humanos, em macacos, para ver se é possível fazer neles, e depois partir para humanos. Só que em humanos tem que ter uma pergunta bem clara e tem que ter ética, não é só querer criar uma memória falsa a título de curiosidade. Existem casos de projetos para controlar epilepsia. Foi aprovado, recentemente, um projeto grande que pretende, em 20 anos, controlar através da optogenética a epilepsia em seres humanos.

 

Após perceberem que, de fato, é possível hackear o cérebro, os alunos questionaram se, a partir de estudos como esse, seria possível controlar uma pessoa. Cleiton explicou que, além de todas as questões éticas por trás de experimentos, há um fator bem mais determinante nessa questão. “Quando os achados em primatas não humanos começarem a ser publicados, a próxima pergunta ética que será feita é essa: e se alguém começar a utilizar essa técnica para controlar outros seres humanos?”, explicou ele. “E eu não diria que seria possível fazer o outro fazer o que você quiser, porque é difícil ter um controle absoluto sobre o cérebro. Mas como vocês viram, é possível inserir memórias falsas nele, é possível induzir a fome... talvez nas pessoas isso também seja possível – o cérebro de um roedor é bem parecido com o de um ser humano em muitos aspectos”. Essa preocupação de um dos alunos, embora fundada e bastante pertinente, talvez ainda esteja longe de se tornar verdade. Embora a comparação com um computador seja possível, há uma complexidade no cérebro humano que ainda não está perto de ser completamente desvendada. Mas a optogenética, apesar de recente, já se mostra uma ferramenta promissora para que esses mistérios comecem a ser, aos poucos, melhor compreendidos...

 


 Espaço dos alunos

A partir da análise das filipetas do encontro, a equipe da Casa da Ciência produziu este infográfico destacando as principais dúvidas manifestadas pelos alunos e os principais conceitos aprendidos no encontro. A finalidade deste instrumento é a avaliação dos momentos de aprendizagem do aluno e valorização da sua dúvida.

  


Texto

Autoria: Vinicius Anelli

Edição: Dr. Cleiton Lopes Aguiar

Revisão: Profa. Dra. Marisa Ramos Barbieri e Gisele Oliveira

 

Espaço dos alunos

Análise de filipetas: Luciana Silva

Infográfico: Gisele Oliveira

 

Diagramação

Vinicius Anelli

 

Saiba mais sobre a proposta em http://goo.gl/brHCph

 

AddThis Social Bookmark Button
 

Envios recentes

Casa da Ciência

Publicações

 

Jornal das Ciências 
Folhetins 

 

 

 


Casa da Ciência 2011 - Hemocentro de Ribeirão Preto FMRP-USP