O cérebro humano é constituído por uma rede de mais de cem bilhões de células nervosas individuais interligadas em sistemas, os circuitos neurais. Estes circuitos são os responsáveis por formar nossas percepções do mundo externo, e controlar o processo das nossas ações (KAN- DEL et al., 2014).
Historicamente, para que hoje seja possível estudar a estrutura das células nervosas (neu- rônios e glia), os pesquisadores atravessaram muitas dificuldades. A primeira delas foi com rela- ção à dimensão das mesmas, já que a grande maioria exibe diâmetro variando entre 0,01 mm e 0,05 mm, valores cerca de 40 a 200 vezes menores que o calibre do grafite de um lápis (1 mm a 2 mm), por exemplo. Consequentemente, a evolução da neurociência celular somente ocorreu após o surgimento da técnica de microscopia composta, a qual ocorreu no final do século XVII. Na sequência, outro obstáculo ainda persistia: cortes finos dos tecidos. Para as análises, são ne- cessárias fatias muito finas, com espessuras próximas ao diâmetro das células em estudo. Entre- tanto, esta era uma tarefa complicada inicialmente, pois o tecido nervoso possui um aspecto si- milar a uma gelatina. Ou seja, não tem muita “firmeza” para que pudesse ser possível realizar cortes delgados na mesma (BEAR et. al., 2006).
A partir disto, o estudo da morfologia celular só aconteceu no início do século XIX, época na qual os pesquisadores descobriram como endurecer o tecido sem provocar modificações na sua estrutura e isto foi alcançado através da imersão do mesmo em formalina, além de terem
criado o micrótomo, um instrumento que é capaz de realizar cortes muito finos. Embora tais avanços tenham ampliado a área da histologia (estudo microscópico da estrutura dos tecidos), os cientistas verificaram que preparações frescas de tecidos de encéfalo observadas em microscópio exibem consistência uniforme e cor creme, sem diferenças de pigmentação, o que não permitiria ao histologista identificar cada célula. Portanto, foi necessário desenvolver também as tinções. Elas coram de forma seletiva algumas regiões celulares do tecido nervoso. Uma tinção até hoje empregada é a introduzida por Franz Nissl durante o século XIX. Nela, um tipo de corante básico é capaz de corar o núcleo de todas as células e um material que fica em volta do núcleo dos neurônios, os chamados corpúsculos de Nissl, como pode ver verificado na Figura 19 (BEAR et al., 2006).
Por meio da técnica de coloração Nissl, portanto, os pesquisadores são capazes de diferen- ciar os neurônios da glia, assim como permite o estudo da distribuição dos primeiros em diferentes regiões do encéfalo. Como consequência deste último ponto, foi possível observar que este órgão é composto por diversas porções especializadas, com diferentes funcionalidades (BEAR et. al., 2006).
Esta técnica, que é usada até hoje, apresenta duas principais vantagens. A primeira consiste no fato da solução colorir somente 1% das células em qualquer porção do cérebro e isto mostra que é possível estudar cada neurônio de forma isolada. Além disso, os neurônios são “manchados” em toda sua extensão, desde o soma até o axônio e dendritos, e que não há continuidade entre dois diferentes neurônios, mesmo quando os mesmos estão se comunicando (KANDEL et al., 2014).
No entanto, apesar das vantagens citadas, este procedimento ainda possui algumas “defici- ências”. A principal delas é que, através dela, o neurônio parece ter uma dimensão menor que a real. Em função disto, no ano de 1873, o histologista Camillo Golgi mostrou que toda a extensão de um conjunto de neurônios pode ser tingido de preto se submergir o tecido nervoso em uma solução de cromato de prata (BEAR et. al., 2006).
Já o procedimento de Golgi, diferentemente da coloração Nissl, apontou que aquela porção ao redor do núcleo neuronal consiste apenas de uma pequena parte da estrutura do neurônio, como pode ser verificado na Figura 20.
Figura 19 – Visualização de neurônios através da técnica desenvolvidas por Nissl. Neurônios, glias e células endote- liais do córtex cerebral de macaco corado pela técnica Nissl. Os grandes neurônios (identificados por setas pretas) podem ser identificados facilmente, uma vez que possuem citoplasma abundante e grande núcleo (sem grânulos de heterocromatina e com nucléolo distinto). Já os neurônios menores (setas laranjas), destacam-se por possuírem uma borda de citoplasma ao redor do seu núcleo, enquanto a eucromatina surge (região azul clara) e mostra diver-
sos grânulos de heterocromatina, alguns dos quais constroem grupos espessos do redor do nucléolo. Além disso, nota-se que alguns astrócitos (cabeça de seta verde) são satélites para neurônios, como pode ser visualizado na Camada 2. Observa-se, também, que os oligodendrócitos (cabeça de seta branca) têm pequenas dimensões e são redondos, enquanto a microglia (cabeça de seta preta) exibe núcleo com forma irregular (veja Camada 3) e as célu- las endoteliais (cabeça de seta laranja) se moldam para adquirir o formato das paredes dos capilares. Adaptados de
GARCÍA-CABEZAS et. al. (2016).
Figura 20 – Visualização de neurônios cerebrais de rato adulto através do procedimento de Golgi. A imagem des- taca um neurônio e célula glial no hilo do giro dentado. Adaptado de Kang et. al. (2017).
Entretanto, a concepção sobre a estrutura do neurônio não era muito clara até do final do século XIX, momento no qual o histologista Santiago Ramón Y Cajal começou a empregar a técnica de coloração de prata apresentado por Golgi, aplicando-a em diversos animais e humanos.
Após estudar a estrutura neuronal em quase todos os locais do sistema nervoso, ele foi capaz de descrever as classes de células nervosas e mapear as ligações entre elas. O irônico neste ponto é que os resultados obtidos por estes dois cientistas foram bastante antagônicos. Para Golgi, os processos ou neuritos de diferentes células estão interligados, de forma a construir uma rede contínua, similar ao que ocorre com as artérias e veias no sistema circulatório. Baseado nesta teoria, ele defende que o encéfalo, entretanto, é um caso de exceção à teoria celular, a qual afirma que cada célula consiste em uma unidade elementar de todos os tecidos animais. Contudo, para Cajal os processos de diferentes neurônios não apresentam continuidade entre si e, por- tanto, conseguem transmitir a informação por meio de um contato descontínuo (BEAR et. al., 2006).
Esta teoria defendida por Cajal é conhecida como a doutrina neuronal e a confirmação da teoria defendida por Cajal somente foi comprovada após o desenvolvimento da miscroscopia ele- trônica na década de 1950. A partir dela, foi finalmente constatado que os prolongamentos dos neurônios não exibem continuidade entre si (BEAR et. al., 2006).
Além disso, Cajal propôs mais duas outras teorias acerca da organização neural e que agre- gam no estudo sobre a comunicação do sistema nervoso. A primeira, válida até hoje, é conhecida
como o princípio da polarização dinâmica. Segundo ela, cada sinal elétrico produzido pelo neurô- nio se espalha em apenas uma única direção, partindo dos receptores (dendritos e soma) até a explosão no axônio, avançando até seus terminais. A outra teoria proposta foi a da especificidade conexional, que afirma que tais células nervosas somente fazem conexões especificas (em regiões também especificas) com determinadas células pós-sinápticas. Ou seja, a formação de redes neu- rais não é feita de forma aleatória. Com isso, é baseado nestes conceitos (polarização dinâmica e especificidade de conexões) que até hoje em dia os pesquisadores se valem para o estudo do cérebro (LENT, 2010).
Consequentemente, para desvendar o funcionamento do cérebro humano, é necessário estudar a atividade de redes neuronais e por quais razões elas param de funcionar adequada- mente quando o paciente possui alguma doença. Para tanto, é essencial estudar a eletrofisiologia de neurônios unitários e a relação estrutural e funcional das redes neurais, que modulam as fun- ções cognitivas e são vitais para a geração de tratamentos para doenças neurológicas e psiquiá- tricas (KUZUM et. al., 2014; KIM et. al., 2014).
Como já discutido anteriormente, cada uma dessas células do sistema nervoso, que pos- suem as mesmas organelas presentes em todas as células corporais, como o aparelho de Golgi, mitocôndrias, e estruturas vesiculares, podem ser agrupadas em duas classes celulares: (1) células nervosas, ou neurônios; e, (2) células gliais, ou glia (KANDEL et al., 2014). Cada uma delas será discutida com maior detalhamento a seguir.
3.1.1 O neurônio (KANDEL et al., 2014)
Os neurônios são os principais agentes sinalizadores do sistema nervoso. São responsáveis pela sinalização elétrica, desde a captação e propagação dos impulsos nervosos até a secreção de proteínas. Podem se conectar a até milhares de células diferentes e são estas ligações as respon- sáveis por produzir os sinais que possibilitam que uma pessoa efetue qualquer tarefa física ou mental. Ao longo do sistema nervoso, eles formam grandes grupos de identidade funcional e é por esta razão que cada local do sistema nervoso realiza diferentes funções, embora haja grande conectividade e interação entre todas as regiões. Consequentemente, se duas pessoas estiverem
conversando, por exemplo, várias situações ocorrem simultaneamente no corpo de ambos: a fala, a visão, a motricidade (com a conservação da postura), emoções, etc. Ou seja, para qualquer si- tuação, diversos locais do sistema nervoso operam de forma coordenada e ao mesmo tempo (LENT, 2010).
É devido à sua morfologia que os neurônios conseguem executar tanto a disseminação quanto o processamento dos sinais. Podem tanto atuar na comunicação entre diversas células, levando a informação para cada parte do corpo, como também na condução dos sinais. Como pode ser observado na Figura 21, o neurônio típico exibe 4 partes morfologicamente definidas. Na região central está o soma (que, muitas vezes, é chamado de corpo celular ou até pericárdio), de onde surgem as demais regiões: o axônio, uma grande extensão que surge do primeiro e é responsável por enviar as mensagens do neurônio para pontos distantes, os dendritos, cuja prin- cipal função é atuar como “antenas” para os sinais advindos de outros neurônios, e o terminais pré-sinápticos (LENT, 2010).
O soma, que é o centro metabólico da célula, exibe um formato aproximadamente esfé- rico e se localiza na região central do neurônio. Para o caso típico, seu diâmetro é de cerca de 50 µm ou até maior. Além disso, possui um fluido em seu interior, o citosol, que é uma solução rica em potássio, assim como as organelas (núcleo, retículo endoplasmático rugoso, retículo endo- plasmático liso, aparelho de Golgi e mitocôndrias).
Todo o material contido no soma é separado do meio externo por uma estrutura denomi- nada membrana neuronal. Em uma estrutura de 5 nm de espessura, este componente é formado por proteínas. Algumas delas possuem a capacidade de injetar substâncias para a região externa, enquanto outras formam poros, cujo papel é controlar o fluxo de substâncias que devem entrar ou sair dos neurônios. Portanto, a membrana atua como uma barreira, restringindo internamente o citoplasma e regulando a troca de substâncias por ela.
Diversos axônios podem exibir também regiões de tecido adiposo isolantes, denominadas bainha de mielina, a qual é descontínua devido à presença de lacunas, ou nodos de Ranvier.
Além disso, partindo-se da região conhecida como cone de implantação (Figura 21), é pos- sível observar o início do axônio, uma estrutura específica existente exclusivamente nos
neurônios, cuja função é conduzir os sinais elétricos, chamados de potenciais de ação para outros neurônios.
Figura 21 – Ilustração da estrutura neuronal. Para neurônios típicos encontrados no sistema nervoso de vertebra- dos, é possível notar quatro regiões distintas principais: (1) soma, que contém o núcleo, onde concentram-se os genes da célula; (2) axônios, os transmissores dos sinais elétricos para demais células; (3) dendritos, atuando como uma “antena” para o neurônio; e (4) terminais pré – sinápticos, os quais, juntamente com os terminais pós – sináp- ticos, formam a sinapse. Um único neurônio, através do seu axônio, pode formar sinapses com até mil neurônios
pós-sinápticos. Adaptado de Kandel et. al. (2014).
O axônio apresenta duas principais características que o distingue do soma. A primeira é que não contém retículo endoplasmático rugoso e ribossomos livres, se houver, são em pequeno número. A outra distinçãoreside na sua composição proteica. Consequentemente, estas diferen- ças estruturais refletem-se nas dissemelhanças funcionais dos dois componentes. Por exemplo,
se não há ribossomos no primeiro, então não há síntese de proteínas nesta região. Como conse- quência, qualquer proteína presente, na verdade, foi sintetizada no soma e isto é fundamental para a compreensão de como ocorre a transmissão da informação através dos neurônios, uma vez que é a existência desta substância no axônio que permite que ele efetue a comunicação a longas distâncias.
Seu comprimento pode variar bastante, desde 0,1 mm até mais de 2 metros dentro do corpo. Em humanos, seu diâmetro pode ser de 0,2 µm a 20 µm. Tal característica é de extrema importância para o funcionamento do axônio, dado que a velocidade de propagação do sinal elé- trico ao longo do axônio é diretamente afetada dependendo de seu diâmetro. Ou seja, quanto mais fino é o axônio, mais rápido é a propagação do impulso nervoso.
Por outro lado, os dendritos exibem formato que lembra uma árvore, uma vez que eles assemelham aos ramos de uma árvore à medida que se distanciam do soma, e, diferentemente do axônio, eles raramente possuem extensão maior que 2 mm. São os principais agentes respon- sáveis por receber os sinais que chegam de outras células. Em sua membrana, na região pós- sináptica, nota-se a presença de moléculas de proteínas chamadas de receptores. Tais elementos têm a função especializada de reconhecer neurotransmissores, que são as substâncias químicas que se unem a estes receptores na membrana pós-sináptica da célula-alvo na fenda sináptica (KANDEL et al., 2014; BEAR et. al., 2006). Uma visão mais detalhada deste assunto é descrita a seguir, na Seção 3.2.
Há relatos que mostram que, em muitos casos, o citoplasma presente nos dendritos é bastante similar ao contido no axônio, com elementos do citoesqueleto e mitocôndrias. Apesar disso, o neurocientista Oswald Steward percebeu uma diferença entre estas duas regiões: polir- ribossomos. Muitas vezes dentro dos dendritos, eles foram encontrados próximos aos espinhos, estruturas que se assemelham com bolsas suspensas na sua região externa e que, segundo estu- dos, delimitam diferentes reações químicas provocadas por alguns tipos de ativação sináptica. A partir deste trabalho, o autor aponta, também, que a síntese de certas proteínas nos neurônios pode ser viabilizada pela propagação sináptica. Isto é bastante significativo para este estudo, já que a regulação sináptica da síntese de proteínas desempenha papel crucial para o arquivamento de informações pelo encéfalo (BEAR et. al., 2006).
Outra contribuição proposta por Ramón y Cajal na área de neurociência foi que ele foi um dos primeiros a verificar que a formato do neurônio é o atributo de maior impacto para diferen- ciação entre os diversos tipos existentes no corpo humano. Portanto, os neurônios podem ser classificados como unipolares, bipolares ou multipolares (Figura 22).
Figura 22 – Exemplos de neurônios, segundo a classificação por número de processos que partem do corpo celular. Células: a) Unipolar; b) Bipolar; c) Pseudo-unipolar; e d) Multipolar. Adaptado de BEAR et al. (2006).
Neurônios unipolares, presentes no sistema nervoso de invertebrados e sistema nervoso autonômico de vertebrados, são aqueles com apenas um único neurito (isto é, somente uma pro- jeção partindo do soma), o qual normalmente origina muitos ramos. Neste caso, um dos ramos atua como axônio enquanto os demais servem como estruturas de captação dos PAs.
Já os neurônios bipolares, além de apresentarem dois neuritos, também mostram soma em formato oval, do qual surgem dois processos diferentes. O primeiro é composto pelos dendri- tos, que captam os sinais elétricos advindos do soma, e o segundo, um axônio, responsável pelo
transporte da informação até o sistema nervoso central. Incluem-se aqui diversas células senso- riais, tais como da retina e epitélio olfatório do nariz.
Há também, um grupo de neurônios ditos pseudo-unipolares. Seu desenvolvimento é como as células bipolares, mas os dois neuritos se transformam em apenas uma estrutura conti- nua, originada também de um único local no soma. Seu axônio, entretanto, se decompõe em duas partes. Uma delas caminha em direção à periferia do corpo, ou seja, para os receptores sensoriais da pele, juntas e músculos. Já a outra parte segue até a medula espinhal.
Finalmente, o último tipo de neurônio segundo a classificação em função dos neuritos são os neurônios multipolares. Eles apresentam, como o nome indica, muitos processos dendríticos a partir de diversos locais em torno do soma, mas com um único axônio. São os tipos mais comuns no sistema nervoso de vertebrados, e podem exibir múltiplas variações, como em sua forma (di- mensão do axônio), tamanho e complexidade dos ramos dendríticos.
De forma geral, o comprimento dos dendritos varia de acordo com a quantidade de con- tatos sinápticos que outros neurônios fazem com eles. Por exemplo, a árvore dendrítica de uma célula de Purkinje2 no cerebelo é grande, espalhada e recebe até um milhão de contatos, en-
quanto um neurônio motor espinhal se conecta com aproximadamente dez mil pontos, sendo mil no soma e o restante nos dendritos.
Além disso, as células nervosas também podem ser classificadas de acordo nas suas cone- xões. O primeiro tipo são os neurônios sensoriais primários, como neurônios da pele e retina, e são os responsáveis pelo envio de informação pelos sensores periféricos no sistema nervoso. Atuam tanto na percepção como na coordenação motora. Contudo, alguns deles, chamados de neurônios aferentes, não executam suas ações para esta finalidade. Independentemente se a in- formação carregada induz alguma sensação no corpo, eles consistem em um grupo que, a partir da periferia, transmite o sinal até o sistema nervoso central. O segundo tipo é conhecido como neurônios motores. Neste grupo, incluem-se os neurônios cujas sinapses são realizadas da me- dula espinhal ou cérebro com os músculos ou glândulas (informação eferente). Dessa forma, eles são os agentes responsáveis por carregar comandos de movimento deles. Por fim, a última cate- goria de neurônios baseada na categoria funcional abrange os interneurônios, que constitui a
maioria dos neurônios do sistema nervoso. A conexão realizada por este tipo celular é apenas entre neurônios e podem ser definidos como interneurônios de projeção, os quais possuem lon- gos axônios e, portanto, são capazes de enviar sinais elétricos ao longo de grandes distâncias dentro cérebro, e interneurônios locais, que, ao contrário do anterior, exibe axônio de pequena dimensão. Consequentemente, neurônios pertencentes a este último subgrupo somente efetua conexões com neurônios próximos em circuitos locais (KANDEL et al., 2014; BEAR et. al., 2006).
3.1.2 Células não neuronais
Apesar dos neurônios desempenharem um papel fundamental quando se trata de trans- missão de informação através de todo o corpo, sendo, portanto, as células de maior importância para as funções do encéfalo, a glia surge com grande destaque neste cenário. Se considerar o sistema nervoso central de vertebrados, seu número excede de 2 a 10 vezes mais que a quanti- dade de neurônios. Seu nome deriva do grego e significa “cola”, embora já tenha sido verificado que não mantém a coesão do tecido neural, mas, na verdade, fica disposta ao redor de todo o neurônio (KANDEL et al., 2014).
Mesmo que seu papel seja secundário, se comparado com a importância dos neurônios, o funcionamento do encéfalo estaria certamente prejudicado se ela não estiver presente. Evidên- cias apontam que a glia colabora na atividade cerebral, oferecendo suporte para as funções deles (BEAR et. al., 2006).
Embora a diversidade na morfologia da glia indique que ela seja bastante heterogênea, assim como as células nervosas, o estudo delas revela que há algumas diferenças significativas. Primeiro, é possível notar que existem divergências morfológicas, dado que a glia não possui nem dendritos nem axônio, além de distinções funcionais. Isto porque as células não-neuronais não mostram as mesmas propriedades de membrana, não são eletricamente excitáveis e não têm relação direta com a sinalização elétrica, como as últimas.
Dado que existem muitos tipos de glia, Kandel et. al. (2014) destacam que ela pode ser agrupada em duas categorias: (1) micróglia, células do sistema imunológico e que possuem antí- genos, fagocitando regiões com lesões, infecções ou até doenças degenerativa, e (2) macroglia,
que engloba os oligodendrócitos, células de Schwann e astrócitos, compondo cerca de 80% do total de glia presente no cérebro humano.
Os oligodendrócitos e as células de Schwann são pequenas células e com relativo pequeno número de processos. Atualmente, a função que desempenham é bastante clara e está voltada para a formação da bainha de mielina, estrutura que amplia a velocidade de propagação dos im- pulsos nervosos ao longo do axônio (BEAR et. al., 2006).
O anatomista Alan Peters foi um pioneiro na aplicação da microscopia eletrônica para es- tudar o sistema nervoso e mostrar que esta bainha se enrola firmemente em um formato de espiral, dando diversas voltas (lamelas) no axônio do encéfalo (com um mínimo de 10 e 20 para