A História do Cérebro

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Neste artigo vou apresentar um breve resumo da História do nosso entendimento sobre a função e o funcionamento do cérebro, destacando os marcos científicos que ainda hoje são aceites. Nesta jornada será dada uma imagem global sobre os princípios básicos de organização e dinâmica cerebral.

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Cláudio Galeno (conhecido por Galeno de Pérgamo) foi um médico e filósofo romano de origem grega (129 ~ 216 d.C.). É considerado o maior cientista em medicina da Antiguidade, cujo legado conduziu à criação da Anatomia, Fisiologia, Patologia, Farmacologia, e Neurologia. As suas teorias dominaram a Medicina até ao final da Idade Média.

A História (conhecida) começa com o médico, cirurgião e filósofo Galeno de Pérgamo, que propôs que o cérebro controla o movimento do corpo. Como é claro, esta noção fundamental é hoje inquestionável. Contudo, Galeno propôs também que os nervos eram como que uns tubos que transportavam um fluído desde o cérebro e medula espinal até à periferia do corpo, uma interpretação errada que permaneceu até final do século XIX. Nesta altura, Camillo Golgi desenvolveu uma técnica para observar neurónios e a sua estrutura, com a qual Ramón y Cajal mostrou pela primeira vez que o tecido neuronal não era uma “rede” contínua, mas uma estrutura composta por neurónios bem individualizados (leia neste artigo sobre a estrutura e funcionamento dos neurónios, as células do sistema nervoso especializadas na recepção e envio de sinais electroquímicos). A ideia do fluído já tinha sido antes questionada por investigações fisiológicas feitas por Luigi Galvani no século XVIII. Galvani descobriu a bioelectricidade ao ter observado que um choque eléctrico induzido num nervo de uma rã, induzia uma contração da pata da rã (ver vídeo abaixo). Subsequentemente, já depois da descoberta de Cajal, Emil du Bois-Reymond, Johannes Muller, e Hermann von Helmholtz verificaram que um neurónio podia usar electricidade para controlar a actividade de outros neurónios adjacentes. Mais ainda: este controlo ocorria sempre da mesma forma, ou seja, o resultado de um estímulo eléctrico enviado por um neurónio para outros neurónios poderia ser previsto (tal como na experiência de Galvani). Assim, a ideia do fluído nervoso que permitia ao cérebro controlar o corpo foi substituída pela noção de que os nervos e o próprio cérebro eram constituídos por neurónios, onde um neurónio podia influenciar os neurónios aos quais estava ligado enviando estímulos eléctricos. Esta ideia permanece até aos dias de hoje, tendo-se agora um conhecimento muito mais aprofundado sobre a natureza dos sinais eletroquímicos com que os neurónios comunicam entre si.

Este vídeo representa a experiência original de Galvani.

Uma outra linha de investigação sobre o cérebro centra-se no seu poder de abstracção e processamento de informação. A Psicologia é o estudo sobre os comportamentos dos humanos e dos animais. A sua História também tem origem na Filosofia Clássica, a qual na altura se preocupava apenas com a mente humana. A importância de estudar animais como modelos para compreender os comportamentos humanos só foi reconhecida após as contribuições de Charles Darwin sobre a continuidade das espécies na Evolução. (Note-se que do ponto de vista fisiológico, os animais já eram usados como modelos para estudar humanos desde Galeno, que para os seus estudos anatómicos dissecou animais, uma vez que no seu tempo era proibido dissecar humanos).

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Franz Joseph Gall foi um médico e anatomista alemão (1758-1828). Foi um pioneiro na tentativa de localização de funções mentais no cérebro.

No final do século XVIII, Franz Joseph Gall fez a conexão entre a Psicologia e a Neurobiologia. Este médico propôs três ideias radicais:

  • Generalização da ideia de Galeno: o cérebro não só controla os movimentos do corpo, como é também o responsável por todos os comportamentos do sujeito. Trata-se actualmente dum princípio fundamental no nosso conhecimento sobre o cérebro.
  • O Cérebro pode ser dividido em 35 órgãos, cada um responsável pelo controlo de um comportamento específico (esperança, imitação, generosidade, …, seriam atribuídas ao funcionamento de uma parte específica do cérebro; veja a imagem abaixo).
  • Cada região do cérebro pode “crescer” com o uso, tal como um músculo.

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Divisão de comportamentos humanos por regiões cerebrais de acordo com a proposta de Franz J. Gall. A ideia é incorrecta, mas conduziu a investigações no caminho certo.

No começo do século XIX, Pierre Flourens testou experimentalmente a segunda ideia de Gall, e concluiu que todas as regiões do cérebro participavam em todos os comportamentos, em contraste com a ideia testada. (As experiências consistiram na remoção de certas regiões de cérebros de animais, de modo a tentar discernir a contribuição de cada uma no comportamento (ou ausência de comportamento) do animal.) Estas experiências de Flourens só vieram dar ainda mais força à já vigorosa reacção cultural contra as ideias de Gall, que rejeitava o reducionismo biológico da mente humana, em particular o facto destas ideias colocarem em causa a noção de alma.

Porém, a meio do século XIX, J. Hughlings Jackson encontrou evidências a favor de uma organização interna cerebral, em contraste com as conclusões de Flourens. J. H. Jackson estudou epilepsia e descobriu que certas funções sensoriais e motoras poderiam ser rastreadas e atribuídas ao funcionamento de diferentes regiões no cérebro. Ainda no mesmo século, como antes referido, Ramón y Cajal identificou os neurónios como as unidades elementares do sistema nervoso. A partir daqui, um novo modelo sobre o funcionamento do cérebro começou a desenvolver-se e a adquirir cada vez mais evidências experimentais: os neurónios estão organizados em estruturas bem definidas e bem organizadas, cada uma responsável por uma função específica (como vamos ver de seguida). Este princípio de organização neuronal é diferente do que foi sugerido por Gall, pois cada grupo de neurónios ao invés de ser responsável por um comportamento, é antes responsável por uma função (processamento visual, controlo motor, memória, …, ver imagem abaixo). A razão pela qual este princípio estrutural não foi descoberto mais cedo deve-se ao facto do mesmo ocorrer numa forma de processamento paralelo. De facto, a maioria dos nossos comportamentos usa em simultâneo múltiplas áreas do cérebro. Além disso, quando uma área cerebral sofre algum tipo de dano, outras podem compensar de forma parcial. Assim, é natural que Flourens tenha tirado conclusões erradas dos seus estudos.

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 Imagem simplificada do mapeamento de funções mentais no cérebro (de acordo com o conhecimento vigente).

Pierre Paul Broca, médico e anatomista francês (1824-1880), foi o primeiro neurologista a conseguir localizar uma função específica numa localização particular do cérebro. Broca tinha um paciente que era capaz de compreender linguagem, mas incapaz de falar. Depois deste morrer, Paul Broca analisou o cérebro do indivíduo e localizou uma lesão numa área que é agora conhecida por Área de Broca (área no lobo frontal, no hemisfério esquerdo – ver terceira imagem no artigo Memória I). O estudo de outros pacientes com o mesmo problema confirmou a relação entre a lesão e a deficiência. Em 1864, Paul Broca anunciou a sua famosa frase: “Nós falamos com o hemisfério esquerdo!” (Na verdade, hoje sabe-se que o hemisfério direito também é importante, nomeadamente na expressão de emoção.) Na década seguinte, Karl Wernicke estudou pacientes com uma deficiência “oposta” àquela que o Paul Broca tinha estudado: os pacientes conseguiam comunicar, mas eram incapaz de compreender linguagem. Surpreendentemente, Wernicke encontrou uma lesão num sítio diferente do cérebro (Área de Wernicke). Com base nesta descoberta, Wernicke propôs a generalização de que o processamento de diferentes funções cerebrais seria feito de forma distribuída pelo cérebro. Todas as evidências subsequentes vieram confirmar esta ideia, e por isso a “teoria” de Flourens teve que ser abandonada (ainda que, como referi, contra uma forte reacção cultural a favor da noção de alma e, consequentemente, a favor de Flourens).

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 Korbinian Brodmann, neurologista alemão (1868-1918), que ficou conhecido pela distinção de 52 áreas distintas no córtex cerebral (Áreas de Brodmann).

Broca, Wernicke, e outros depois deles, continuaram a identificar regiões do cérebro de acordo com lesões. Korbinian Brodmann, no entanto, usou uma abordagem diferente. No começo do século XX, ele distinguiu 52 áreas no córtex cerebral humano (corresponde à “camada” externa do cérebro) usando o método da citoarquitectura. Este método introduzido por Brodmann consiste na divisão de áreas com base em variações na estrutura das células nervosas e em características da combinação destas células em camadas. O “mapa” do cérebro de Brodmann tem vindo a ser continuamente actualizado, e é ainda usado hoje em dia. De facto, as áreas anatómicas distinguidas por Brodmann estão em concordância com as distinções feitas através dos estudos de lesões, ou seja, estas áreas não são apenas diferentes do ponto de vista anatómico, como também o são do ponto de vista funcional. Por outras palavras, as áreas em que se pode dividir o cérebro podem ser distinguidas usando diferentes critérios. Investigações mais recentes têm mostrado que o cérebro pode na verdade ser dividido em muito mais que 52 áreas, havendo, além disso, subdivisões adicionais dentro de cada área (cuja função é ainda mais específica).

Em 1958, David H. Hubel e Torsten N. Wiesel adicionaram uma peça chave a este puzzle (e por isso ganharam o Prémio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1981). Eles estudaram a actividade de neurónios no córtex visual primário de gatos anestesiados: apresentaram estímulos visuais aos olhos do animal, e mediram a actividade dos neurónios usando um eléctrodo inserido no cérebro do gato. Para sua surpresa, os neurónios pareciam não responder. Contudo, um dia notaram que os neurónios “davam sinal” sempre que eles trocavam o slide apresentado aos olhos do gato. Acabaram por compreender que os neurónios em causa respondiam a uma orientação específica de linhas no padrão de luz recebido. Uns neurónios respondiam apenas a linhas horizontais que estivessem no campo visual, outros a linhas verticais, e outros neurónios a outras orientações específicas. A partir daqui, estes e outros neurofisiologistas descobriram muitos outros conjuntos específicos de neurónios que só respondem a certos atributos, como direcção de movimento, cores específicas, e até uma maior especialização como objectos particulares, mãos, e caras (em regiões “superiores” do tecido neuronal, mais “distantes” dos sensores neuronais, nesta “via neuronal”). Dois princípios fundamentais emergiram: neurónios que respondem à mesma característica estão agrupados numa mesma área (de acordo com as descobertas de Broca e Wernicke, mas a um nível ainda mais especializado do que o que se julgava); e existe uma organização hierárquica de especialização pelo menos ao nível dos sistemas sensoriais (isto é, atributos sensoriais mais complexos são processados em regiões mais “distantes” dos receptores sensoriais). Por exemplo, no caso da visão, as primeiras células a processar informação visual distinguem basicamente pontos de luz. Seguindo a rede de ligações destas células, acabamos por encontrar os neurónios que Hubel e Wiesel estudaram, onde são processadas “linhas”. Continuando a seguir as ligações destas células, acabamos por chegar a células que já só respondem a faces humanas. Naturalmente, o processamento das faces humanas depende das linhas, tal como as linhas dependem dos pontos. Tem-se assim uma construção sequencial (e paralela para vários atributos) da informação visual que é recebida pelos olhos. Estes princípios de organização cerebral são gerais: tanto quanto se sabe, todos os sistemas sensoriais “fragmentam” a informação recebida em unidades elementares, havendo subsequentemente como que uma construção interna. Um problema fundamental em aberto é se existe ou não um grupo de neurónios no “final” que processa o resultado final dessa construção, ou se pelo contrário a nossa percepção emerge de todo esse processamento unitário paralelo. De qualquer das formas, regiões individuais do cérebro processam operações elementares e portanto capacidades mentais como o pensar, a memória, a percepção, e controlo de movimentos são o resultado de “computações” sequenciais e paralelas de muitas regiões cerebrais específicas. Curiosamente, nem mesmo a consciência é unitária. Roger Sperry e Michael Gazzaniga descobriram que quando o corpo caloso (trata-se de uma estrutura que liga os dois hemisférios do cérebro) é removido de um paciente como tratamento para epilepsia, a consciência é dividida em duas! No caso particular de um paciente, este ficou com duas consciências, uma localizada no hemisfério esquerdo, outra no hemisfério direito. Uma vez que o hemisfério esquerdo controla a parte direita do corpo, e o hemisfério direito controla a parte esquerda, Sperry e Gazzaniga observaram, por exemplo, o seu paciente a tentar vestir-se com uma mão, enquanto que com a outra tentava tirar a roupa!

Deixo a História por aqui. Como é evidente, deixei muitas descobertas de fora, em particular no que diz respeito ao estudo dos neurotransmissores e dos genes envolvidos no funcionamento do cérebro, e que tem sido fundamental no desenvolvimento de novos tratamentos para inúmeras desordens neurológicas. Ficará eventualmente para artigos futuros.

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 “Não tendo esquecido a experiência de Galvani, o que o sapo faria…”

 

5 comentários

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    • Rogério Gonçalves on 18/10/2015 at 04:02
    • Responder

    Boa noite,

    Aprecio o tema e valorizo a grande importância que constitui o conhecimento do cérebro, daí a minha atenção por assuntos, projectos e iniciativas que se destinam para esse conhecimento. Com os meus modestos conhecimentos que disponho na minha aprendizagem, quer como informático “carismático” quer como experiência de pesquisa
    no entendimento das funções do cérebro e da mente gostaria de opinar o seguinte:

    A meu ver compreender um computador e/ou versus compreender o cérebro humano é um percurso muito mais longo que apenas um projecto. Conceber um computador que se assemelhe a um cérebro humano também sê-lo-á “quase” utópico. São questões que e repito a meu ver, requerem instituições destinadas a esse fim e só ao fim de algumas décadas de trabalho com muito empenho e motivação alcançarão resultados com consistência e confiança.

    Como exemplos, cito empresas com IBM, Microsoft, HP, Apple, Samsung ou uma Siemens, empresas por onde passei como profissional à excepção da Apple que para chegar ao nível da tecnologia que hoje apresentam foram necessárias várias décadas de muito trabalho consecutivo aliado a um sucesso económico.
    Na área do cérebro apenas conheci uma instituição fundada nos anos 50 do século passado, ainda hoje existente como igreja de cientologia (nunca aceite na comunidade científica), portanto instituição “religiosa” que apesar de contra todos os ventos e marés foi das melhores sucedidas economicamente em muito pouco tempo para uma religião, mas em décadas longas de trabalho “psica-analítico” (Audição-Dianética) para um conhecimento experimental do cérebro e da mente humana. Atenção nao faço qualquer apologia da igreja.
    O objectivo deste meu comentário é apenas um testemunho experimental que poder-se-ia ter em conta caso seja uma opinião partilhada por quem queira ter as iniciativas custear/financiar e/ou participar activamente nesses objectivos: o conhecimento do cérebro e ou a tecnologia de um computador. Como curiosidade tecnológica já se usam robôs em actividades bancárias que atendem pessoas. Contudo ainda estarão muito distantes de um processamento semelhante a um cérebro humano ou mesmo de um cérebro de um animal dado que nestes, muitas das funções permanecem activas enquanto se dorme e em regra há uma interacção viva com o meio ambiente, algo que
    a tecnologia ainda não domina.

    Os meus cordiais cumprimentos

    1. Caro Rogério Gonçalves,

      Infelizmente só vi agora o seu comentário.

      Em relação ao financiamento, não, este nunca virá de empresas particulares. Estamos a falar de ciência fundamental e para isso é preciso um investimento quase desinteressado, algo que só é possível através de financiamentos públicos. As empresas querem sempre apostar em algo que lhes dê garantias mais ou menos imediatas, e por isso apostam em tecnologia e não em ciência fundamental.

      No que toca aos robôs para actividades bancárias (e outras coisas), isso faz uso da chamada inteligência artificial, que basicamente se resume a programas informáticos complexos e bem pensados, mas que não visam propriamente imitar a mente humana, pelo contrário, servem simplesmente para fazer de forma automática um dado número de instruções repetitivas. A inteligência artificial ainda tem um longo caminho pela frente…

      Cumprimentos,
      Marinho

    • Dinis Ribeiro on 03/02/2015 at 08:30
    • Responder

    Gosto muito desta imagem:

    http://www.wired.com/images_blogs/wiredscience/2013/05/neurologist-markam-human-brain3_f.jpg

    Que encontrei neste artigo:

    The $1.3B Quest to Build a Supercomputer Replica of a Human Brain
    http://www.wired.com/2013/05/neurologist-markam-human-brain/all/

    Lonestar is one of the most productive, multi-use cyberinfrastructure HPC and remote visualization resources in the world.
    https://www.tacc.utexas.edu/systems/lonestar

    Human Brain Could Be Replicated In 10 Years, Researcher Predicts
    http://www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090904071908.htm

    Human Brain Project
    http://en.wikipedia.org/wiki/Human_Brain_Project

    Blue Brain Project:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Brain_Project / http://pt.wikipedia.org/wiki/Blue_Brain

    Ainda não existe um artigo em Português na Wikipedia obre este investigador:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Henry_Markram

    Site da União Europeia: https://www.humanbrainproject.eu/

    The convergence between biology and ICT has reached a point at which it can turn the goal of understanding the human brain into a reality. It is this realisation that motivates the Human Brain Project – an EU Flagship initiative in which over 80 partners will work together to realise a new “ICT-accelerated” vision for brain research and its applications.

    Portugal participa através do trabalho de dois investigadores da http://en.wikipedia.org/wiki/Champalimaud_Foundation / http://pt.wikipedia.org/wiki/Funda%C3%A7%C3%A3o_Champalimaud :

    Rui Costa
    Zachary Mainen

    Site oficial: http://www.fchampalimaud.org/

    Site da EPFL: http://bluebrain.epfl.ch/

    The research grounds involved in the Human Brain Project and the Blue Brain Project, as well as most scientists from the Center for Neuroprosthetics, will join the new “Campus Biotech” facilities in Geneva, while remaining full part of EPFL.

    1. Infelizmente, (e sem grande surpresa), o projecto não tem corrido bem:
      http://www.publico.pt/ciencia/noticia/neurocientistas-europeus-apelam-a-reformulacao-de-grande-projecto-sobre-o-cerebro-humano-1661668

      Que construam um computador que se assemelha em vários detalhes computacionais a um cérebro é possível que consigam; que com isso consigam compreender o cérebro humano: não. Muitos foram os que não acreditaram na viabilidade do projecto desde o princípio, eu incluído (aliás, ainda antes de ter ganho o financiamento já eu dizia que seria um erro pagar um projecto deste género). Enfim, pode ser que com a reformulação do programa, o dinheiro seja mais bem distribuído e não cometam o erro de tentar fazer aquilo que tinham prometido (porque é óbvio que iriam falhar).

      Não me julguem um “velho do Restelo”: acho simplesmente que é muito cedo para um projecto deste tipo, tendo em conta os conhecimentos actuais em neurociências. O mesmo dinheiro poderia ser muito mais bem usado em projectos mais pequenos, alguns até do mesmo género (que já existem há imenso tempo).

      Leia-se a entrevista ao Z. Mainen:
      http://blogs.discovermagazine.com/neuroskeptic/2014/07/11/whats-wrong-human-brain-project/#.VNCfSUJbgiM

      Outra opinião que subscrevo:
      http://www.quora.com/What-are-the-main-objections-to-the-human-brain-project

      Uma pergunta natural seria: porque razão o projecto foi apoiado por tantos investigadores? Porque apesar da propaganda ser essencialmente falsa, era boa propaganda, e o projecto tinha capacidade para ir buscar um enorme financiamento, como de facto conseguiu.

      Cumprimentos,
      Marinho

    • Samuel Junior on 02/02/2015 at 18:17
    • Responder

    Muito interessante. Na biologia o estudo do cérebro é uma das partes mais fascinantes deste ramo da ciência.

  1. […] dores de cabeça. Foi ao médico e depois de alguns exames descobriram que ele tinha um tumor no lobo frontal do cérebro. Submeteu-se a cirurgia, através da qual lhe removeram o tumor. Mas algo mais foi […]

  2. […] ainda não era claro de que forma estava “organizado” o cérebro. Como vos contei na História do Cérebro, no século XIX consideravam-se duas hipóteses antagónicas sobre a forma como o cérebro […]

  3. […] hierarquia no processamento de informação sensorial (ver penúltimo parágrafo do artigo sobre a História do Cérebro); segundo, Karl Pribram e Mort Mishkin tinham estudado os efeitos cognitivos de lesões no córtex […]

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