Conceitos em Neurociência

Antes de mais nada: esta seção explora o que são os cérebros e como eles surgiram. Qual é a relação entre cérebro e comportamento? Existe comportamento sem um cérebro? Em caso afirmativo, o que o fato de ter um cérebro muda na vida de um animal?

Vamos esclarecer uma coisa: a vida não precisa de um sistema nervoso. Grande parte da vida - a maioria, na verdade - não tem sistema nervoso, muito menos cérebro. No entanto, todos os animais - com exceção das esponjas, até onde sabemos - têm um. "Por quê?", é a pergunta que frequentemente se faz. "Para que eles possam se mover e prosperar alimentando-se de outras criaturas", é a resposta mais comum.

Como regra geral, se uma criatura viva é visível a olho nu, é porque ela é dotada de redes de distribuição - ou não seria viável se sua vida dependesse da difusão, o movimento aleatório de moléculas alimentadas por sua energia intrínseca. Como um sistema circulatório, respiratório ou excretor, o sistema nervoso é mais um sistema de transporte, mas um que transporta sinais em vez de sangue, gases ou metabólitos.

Os sistemas nervosos são, em sua essência, redes heterogêneas formadas por neurônios, conectados de ponta a ponta. Três propriedades fundamentais dos neurônios tornam os sistemas nervosos únicos entre outros sistemas corporais.

Se os sistemas nervosos são redes de distribuição que transportam sinais, então suas unidades funcionais são os neurônios: a menor entidade que produz sinais, transporta-os rapidamente por longas distâncias e os transmite a outras unidades. No entanto, os sistemas nervosos não são feitos inteiramente de neurônios: eles incluem células vasculares e gliais e não poderiam funcionar sem essas células não neuronais.

Os campos elétricos se propagam onde quer que uma corrente possa ser fisicamente transportada, por exemplo, ao longo de caminhos que são chamados de circuitos. Em teoria, como os campos elétricos se propagam de forma omnidirecional, os circuitos elétricos não são direcionais e as alterações nas cargas são propagadas ao longo de todos os fios disponíveis, a menos que haja um mecanismo de bloqueio.

"Atividade" é um termo que, em um neurônio, geralmente descreve o descarregamento da voltagem da membrana celular. Se essas alterações ocorressem em outras células, elas provavelmente estariam mortas em breve, intoxicadas por altos níveis de cálcio liberados pelos estoques intracelulares.

Qualquer desenho de um neurônio conectado a outro neurônio para representar um sistema nervoso é uma simplificação grosseira que pode servir a um propósito didático, mas vem com um perigo problemático: o risco de implicar que as redes neuronais são circuitos simples de um para um em estrutura (anatomia) e função (fisiologia).

Em geral, equiparamos sistemas nervosos a comportamentos, mas, como se vê, um sistema nervoso - ou seja, um conjunto de órgãos e tecidos feitos de células excitáveis que transportam sinais rapidamente pelo corpo - na verdade não é necessário para o comportamento.

Todas as ações e, portanto, os comportamentos, exigem transferência de energia. Os comportamentos ocorrem quando a energia potencial é dissipada, canalizada por meio de circuitos, redes naturais ou artificiais ou caminhos naturais de menor resistência.

Dois sistemas de distribuição permitem que organismos de grande porte atuem como todo integrado. Um deles é o sistema imunoendócrino, que, por meio da liberação de substâncias de ação ampla no sistema circulatório, permite a integração lenta e duradoura (estável) das funções corporais. Os comportamentos integrados resultantes levam de segundos a minutos para ocorrer e duram de horas a vários dias, desde que as substâncias liberadas ainda estejam ativas.

Em animais que têm um sistema nervoso, todas as ações motoras, mentais e viscerais (e, portanto, o comportamento) são o produto da atividade neuronal. Quando a atividade neuronal nas estruturas ou vias relevantes é interrompida ou impedida - por exemplo, com anestésicos -, esse comportamento para. Mas isso ainda não explica o que há na atividade neuronal que gera o comportamento.

Existem várias definições de inteligência, geralmente focadas na solução de problemas e na adaptabilidade que levam a resultados bem-sucedidos. Uma maneira de generalizar todas essas definições é reconhecer que o comportamento inteligente é o comportamento que perpetua o sistema, o que, por definição, equivale a maximizar seus resultados.

Se considerarmos os neurônios como os blocos de construção de processamento de informações dos sistemas nervosos, então, quanto maior o número de neurônios em um sistema, maior será a capacidade de processamento de informações. Obviamente, a comparação só se aplica a sistemas que estão conectados da mesma forma, como circuitos semelhantes.

Os sistemas nervosos, e o cérebro em particular, acrescentam flexibilidade ao comportamento, tornando-o muito mais do que simples respostas a eventos. Claro, responder (ou não) é um comportamento em si.

A excitação contagiosa de um neurônio é um sinal: ele representa um evento em virtude de estar correlacionado a ele por meio de causa e efeito. O evento representado, ou sinalizado, pode ser um evento externo no mundo ou simplesmente a ativação do neurônio anterior que o causou, independentemente de essa ativação poder ou não ser atribuída a um único evento externo.

Se os sistemas nervosos geram comportamentos integrados em grandes criaturas multicelulares chamadas animais, então definir o comportamento como qualquer ação observável significa que a compreensão do comportamento requer o entendimento de como os sistemas nervosos organizam as ações. Um ponto de partida útil é simplesmente classificar as ações que criam os comportamentos complexos dos animais.

Os diagramas implícitos da função cerebral geralmente mostram uma organização linear de estímulo-entrada-resposta-saída, como se os dois não estivessem relacionados. Esses diagramas também levam a crer que o sistema nervoso não está fazendo muita coisa até ser estimulado ocasionalmente.

Todos os sistemas nervosos consistem em circuitos fechados com o corpo: toda ação do sistema nervoso causa uma reação na forma de mudanças no corpo que o sistema nervoso detecta e representa como sensações. Assim, os circuitos nervosos mais simples são circuitos de saída e entrada que geram ações e representam seus resultados.

Os neurônios estão sempre organizados em circuitos fechados com o corpo de um animal, mas os circuitos formados assumem formas diferentes em animais diferentes. Alguns animais têm várias cadeias de neurônios que se ramificam a partir de um anel ao redor da abertura da cavidade do corpo (boca); alguns têm uma única cadeia de neurônios ao longo do corpo e outros têm cadeias duplas de neurônios, emparelhados como anéis em uma escada, com ou sem uma agregação principal de neurônios (um gânglio).

As evidências modernas sugerem que os sistemas nervosos evoluíram várias vezes de forma independente e, muito provavelmente, em paralelo, durante a explosão cambriana de diversidade de formas de vida - ou, pelo menos, todos eles surgiram rápido demais para que as técnicas modernas pudessem classificá-los em linhas de ancestralidade.

Há muito tempo se supõe que os cnidários sejam o animal moderno mais simples com o sistema nervoso mais simples, o que muitas vezes implica que o sistema nervoso ancestral deve ter sido semelhante ao atual sistema nervoso dos cnidários. Essa suposição é auxiliada pela visão antiga e equivocada de que o sistema nervoso dos cnidários é uma rede difusa desorganizada e não centralizada de neurônios - um arranjo intuitivo para um sistema nervoso ancestral simples.

Todos os grupos de vertebrados podem ser rastreados até um ancestral comum. Isso implica que todos compartilham caminhos de desenvolvimento semelhantes para formar seus sistemas nervosos, com o corolário de que esse modo comum de desenvolvimento do sistema nervoso dos vertebrados já estava presente no ancestral comum de todos os vertebrados.

Dois sistemas (ou estruturas, ou circuitos) são análogos quando funcionam de maneira semelhante. Isso pode ou não ser devido à homologia entre os dois sistemas: isso só existe quando os dois sistemas (ou estruturas ou circuitos) podem ser razoavelmente desenvolvidos de forma semelhante e com uma história evolutiva compartilhada.

Os neurônios são células excitáveis em animais multicelulares, capazes de mudar drasticamente e até mesmo inverter seu potencial de membrana sem morrer e se recuperar de volta ao seu estado original - mas os neurônios não são as únicas células excitáveis; as células gliais e as fibras musculares também são.

ATENÇÃO: Contém imagens gráficas.

Assim como existem animais pequenos e grandes, há cérebros de todos os tamanhos - desde o menor que a ponta de um dedo até o tamanho de um antebraço humano. É claro que cérebros grandes só podem ser encontrados em animais grandes, mas o tamanho da cabeça, ou do crânio, não indica exatamente o tamanho do cérebro.

Os animais têm tamanhos diferentes, que variam em cerca de 9 ordens de magnitude em três dimensões (ou 3 ordens de magnitude na dimensão linear, ou seja, comprimento). Se é o sistema nervoso que permite que o corpo funcione como um todo integrado, será que os animais maiores precisam de sistemas nervosos maiores, com mais neurônios? O fato é que animais maiores tendem a ter cérebros maiores, com mais neurônios em seu sistema nervoso.

Animais maiores tendem a ter cérebros maiores. Entretanto, à medida que a massa corporal aumenta nas espécies, o cérebro fica atrás de outros órgãos: sua massa aumenta em um ritmo mais lento do que a do resto do corpo. Como consequência, os animais maiores têm cérebros relativamente menores.

Durante muito tempo, o cérebro humano foi considerado excepcional em seu tamanho: cerca de 7,5 vezes maior do que “deveria ser” para o tamanho do corpo humano. Essa conclusão, alcançada pelo paleontólogo americano Harry Jerison em 1973 e geralmente aceita por cerca de 40 anos como a explicação de como os seres humanos eram “especiais”, só fazia sentido no contexto de duas suposições explícitas que ele fez.

A massa absoluta, ou volume, é a propriedade mais óbvia dos cérebros quando comparados entre espécies. Durante muito tempo, acreditou-se que essa era uma variável relevante, pois se presumia que indicava quantos neurônios compunham cada cérebro - assim como um fígado maior é composto por mais células - e, por sua vez, quanto mais neurônios em um cérebro, maior a capacidade de processamento de sinais desse cérebro.

A partir da constatação de que cérebros de tamanho semelhante podem ser compostos por números muito diferentes de neurônios, conclui-se que animais com massa corporal semelhante também podem ter números muito diferentes de neurônios em seus cérebros. Isso é verdadeiro para as partes do cérebro que operam diretamente o corpo e também para o córtex cerebral, que não tem conexões diretas com o corpo.

O cérebro humano não é o maior cérebro da Terra: pelo menos 13 outras espécies têm essa distinção, sendo a baleia cachalote a dona do maior cérebro, com 9 kg, em comparação com cerca de 5 kg do cérebro do elefante africano e cerca de 1,3 kg do cérebro humano. O cérebro humano também não é o que tem mais neurônios, no geral

Os seres humanos se esforçaram muito para encontrar uma maneira de se distinguir de todos os outros animais. A lista de distinções candidatas incluía encefalização (um cérebro grande demais para seu corpo), bipedalismo (andar sobre duas pernas, com as mãos livres), aprendizado vocal (incluindo linguagem), representações simbólicas (incluindo números), uso de ferramentas, reconhecimento de espelhos e, é claro, percepção consciente.

Comparar as habilidades cognitivas dos seres humanos e de outros animais é tentador, divertido e até mesmo um pouco informativo (já que é muito difícil fazer isso corretamente), mas qualquer comparação esbarra em uma grande dificuldade, que geralmente não é reconhecida

Uma das características mais marcantes dos sistemas nervosos é que as células principais, os neurônios, são de longo alcance: seus corpos celulares podem ficar juntos em um só lugar, como as células que formam o epitélio da pele, mas cada neurônio tem um axônio - uma extensão principal - que pode ser tão curto quanto apenas até as células vizinhas, ou tão longo quanto vários metros, por exemplo, do cérebro até a medula espinhal.

Alguns neurônios têm propriedades muito particulares, sim, e os neuromoduladores podem alterar drasticamente a função de uma rede - mas, normalmente, o determinante mais importante da função de um neurônio, ou conjunto de neurônios que formam uma estrutura, é seu padrão de entradas e saídas - ou seja, sua conectividade.

Todo neurônio tem aferentes e eferentes, que podem ser uma única estrutura ou várias estruturas. Dependendo do seu padrão, as aferências para um neurônio podem ser específicas ou convergentes; da mesma forma, as eferências de um neurônio podem ser específicas, divergentes ou difusas.

A definição da sinalização neuronal no sistema nervoso como “excitação contagiosa” tem a possível desvantagem de conjurar a noção de que todos os eventos neuronais são positivos, no sentido de promover mais atividade. Esse não é, de forma alguma, o caso. Os efeitos de um potencial de ação - esse evento de excitação contagiosa - dependem tanto do neurônio que transmite quanto do neurônio que recebe o sinal.

As redes neuronais geralmente são descritas com base no que elas fazem ativamente, o que reflete seus padrões de atividade. Embora correta, essa visão pode ser mal interpretada para sugerir que os circuitos neuronais são ou podem ser principalmente excitatórios, o que seria extremamente incorreto.

A maioria dos sistemas nervosos é altamente organizada; em vez de estarem espalhados de forma homogênea no tecido (como as células gliais), seus neurônios constituintes são encontrados em grupos de formas e localizações reproduzíveis e reconhecíveis em todos os animais, que, por sua vez, são distribuídos de forma muito heterogênea pelo órgão ou corpo.

Há algo nos neurônios do córtex visual que os capacita exclusivamente a processar informações visuais, e algo nos neurônios do córtex auditivo que os torna “especializados” no processamento de sons?

A organização dos circuitos do sistema nervoso central como circuitos fechados traz um grande risco: a atividade descontrolada, se os circuitos excitatórios simplesmente se retroalimentarem de forma positiva, de modo que a atividade gere mais atividade, que gera mais atividade, de forma infinita e incontrolável.

Um neurônio é um neurônio é um neurônio: uma célula excitável que também tem polaridade celular, ou seja, polos com estrutura e função diferentes. Embora existam diferentes tipos de neurônios, todos compartilham as mesmas funcionalidades básicas.

As cadeias de neurônios sensoriais transmitem a outras estruturas padrões de atividade (ou seja, sinais) que representam a ocorrência de estímulos sensoriais. Enquanto essas cadeias, ou vias, permanecerem livres de entradas convergentes, elas permanecerão “puras” ou dedicadas a essa modalidade sensorial.

A via mais simples que pode resultar em um comportamento - ou seja, uma ação que pode ser observada e descrita - é a via de sinalização que ocorre em um organismo unicelular e leva, por exemplo, de um estímulo, como a ativação do receptor, a uma ação, como o batimento ciliar, que afasta ou aproxima a célula do estímulo. Assim, os comportamentos biológicos envolvem um mecanismo de detecção, um mecanismo efetor e algo que liga os dois: um integrador.

Em organismos multicelulares que têm um sistema nervoso, o circuito ou caminho mais simples que leva a um comportamento do animal (e não de apenas uma célula) consiste em uma célula sensorial e uma célula efetora, uma conectada à outra, formando um loop com o corpo.

Portanto, você é essa entidade capaz de se representar em um continuum de espaço-tempo. Mas o que é esse VOCÊ que se move no tempo e no espaço, mudando de estado mental e fisiológico à medida que se localiza? “Você” pode ser definido como cada um dos sentimentos ancorados no corpo que ‘você’ faz mover e depois registra como se movendo.

Uma vez que VOCÊ existe, a realidade dos outros também pode ser representada. Representar o estado dos outros no ambiente de alguém é o que a rede social do cérebro realiza — muito parecido com as redes sociais da internet, na verdade.

Nem todas as redes no cérebro são restritas, loops específicos entre apenas algumas estruturas. Um conjunto de pequenas estruturas no cérebro posterior e na região ventral do cérebro anterior tem projeções altamente difusas em várias partes do SNC, incluindo a medula espinhal, mesmo que os neurônios individuais nessas estruturas ainda possam ser bastante específicos nos alvos com os quais entram em contato.

Cada parte do seu cérebro está usando energia ativamente e fazendo algo neste momento, e permanecerá ativa se você largar este livro, fechar os olhos e tentar relaxar. Ao contrário dos seus músculos, que têm muitos capilares fechados quando estão em repouso e que são ativados e preenchidos com sangue assim que a atividade muscular aumenta, todos os capilares do seu cérebro estão sempre abertos e cheios de sangue.

“Computadores” costumavam ser a designação para “pessoas que computam”, ou seja, que processam dados, fazem cálculos, encontram padrões, fornecem respostas para perguntas. Nesse sentido, é claro que os cérebros “computam”, uma vez que eles — e os sistemas nervosos como um todo — processam sinais. Mas o termo computador agora designa um tipo muito específico de processador de sinais: as máquinas que operam em representações digitais de dados.

Uma definição simples de atividade é metabolismo contínuo: qualquer célula que esteja consumindo energia está, portanto, ativa no sentido mais amplo da palavra. Todas as células vivas são, por essa definição, ativas — o que torna essa definição simples pouco útil. Como as células do sistema nervoso são excitáveis, uma definição mais útil do termo “atividade” aqui se refere a mudanças no potencial de membrana das células — ou seja, voltagem.

Usando o conceito do arco reflexo como a unidade mais simples capaz de gerar comportamento (um reflexo), Charles Sherrington propôs, em 1906, que o comportamento complexo resulta de uma cadeia de reflexos integrados.

Charles Sherrington propôs uma vez que comportamentos complexos poderiam consistir em longas cadeias de reflexos integrados. Embora isso seja teoricamente possível, existem outros mecanismos que podem gerar comportamentos complexos, compostos por múltiplas ações coordenadas.

O conectoma é o layout completo das conexões em um sistema nervoso. Ainda assim, existem diferentes níveis de conectomas: eles podem representar o layout das conexões entre as estruturas cerebrais (aves e mamíferos são semelhantes e, muito provavelmente, os vertebrados como um todo), a conectividade completa de um pedaço do córtex cerebral, o conectoma de um único neurônio.

O cérebro é um órgão caro. Ao contrário dos músculos, que podem funcionar em repouso durante a maior parte do dia e aumentar significativamente o seu metabolismo quando necessário, o cérebro utiliza rotineiramente oxigênio e glicose do sangue que lhe é fornecido quase na sua capacidade máxima

Os sistemas nervosos são mais do que redes formadas por neurônios interconectados. O tecido no qual as redes neuronais estão inseridas também é composto por células gliais, que, assim como os neurônios, são derivadas do neuroectoderma; células imunes residentes chamadas microglia; e células formadoras da vasculatura e associadas.

Os neurônios são células excitáveis, radicalmente assimétricas, ramificadas e polarizadas que apresentam uma grande variedade de tamanhos, formas e propriedades fisiológicas, incluindo taxas de disparo. A excitabilidade neuronal é contagiosa, o que significa que variações na atividade de um neurônio se espalham, causando variações na atividade de outros neurônios

Como o tecido cerebral cortado em seções finas para microscopia é transparente, são necessários métodos de marcação para visualizar os constituintes do tecido.

Em última análise, todas as células do corpo se originam de uma única célula, o zigoto. A questão importante não é, portanto, se os neurônios e as células gliais são gerados a partir dos mesmos progenitores (porque em algum momento eles certamente são), mas se existem células progenitoras que dão origem apenas a neurônios e outras que dão origem apenas a células gliais.

Os neurônios são células derivadas do ectoderma que, ao sair do ciclo celular e se diferenciar, tornam-se excitáveis (ou seja, capazes de sustentar mudanças bruscas e extremas no potencial de membrana e se recuperar delas) e radicalmente polarizadas (com especializações anatômicas e funcionais diferentes nas extremidades opostas das células, incluindo quais canais e receptores são expressos em cada local).

Os neurônios maduros e diferenciados são células assimétricas, e essa assimetria é mais evidente na organização dos processos ramificados que se estendem a partir do corpo celular: normalmente um processo muito longo, o axônio, que pode se ramificar apenas na extremidade; e um conjunto de processos ramificados imediatamente, os dendritos. O axônio e os dendritos são estrutural e funcionalmente diferentes, tornando a célula neuronal polarizada na forma como produz e conduz eventos elétricos.

Os neurônios nascem redondos, a partir de células progenitoras que, ao sair do ciclo celular e se diferenciar, tornam-se excitáveis e assimetricamente polarizadas, formando axônios e dendritos que diferem na composição estrutural e nas propriedades funcionais.

Mesmo que nascidos em cultura a partir de células-tronco únicas e isoladas, os neurônios recém-nascidos se diferenciam espontaneamente em células pós-mitóticas assimétricas e excitáveis. A diferenciação neuronal em cultura é estereotipada em muitos tipos diferentes de células neuronais e ocorre nos mesmos cinco estágios que se acredita também ocorrerem in vivo.

Os astrócitos são um tipo de célula não eletricamente excitável e altamente ramificada no SNC, assim chamada devido à forma estrelada de seu citoesqueleto principal, sem nenhum processo individual diferenciado dos outros. Assim, em contraste com os neurônios, os astrócitos não são células polarizadas

No início do desenvolvimento dos vertebrados, o cérebro é composto principalmente por neurônios, células gliais radiais e microglia, além da vasculatura em formação. Os primeiros neurônios têm poucas sinapses entre si.

Como o potencial de membrana dos astrócitos é bastante estável, enquanto a atividade elétrica neuronal é facilmente registrada com eletrodos colocados extracelularmente, os astrócitos foram considerados por muito tempo células com níveis de atividade estáveis e invariáveis

As variações nos níveis de cálcio intracelular nos astrócitos podem afetar os neurônios de diferentes maneiras. Elas podem levar a aumentos semelhantes nos níveis de cálcio livre intracelular neuronal, se se propagarem através das junções comunicantes entre os astrócitos e os neurônios. Elas podem levar à ativação dos receptores de glutamato através da liberação astrocítica de glutamato.

O glutamato é o principal transmissor no cérebro dos vertebrados, mas os neurônios não são as únicas células que o utilizam. Os astrócitos captam o glutamato liberado pelos neurônios e o reciclam em glutamina, que é transportada de volta aos neurônios como um precursor glutamatérgico.

Os processos astrocíticos perissinápticos (PAPs) são finas extensões da membrana dos astrócitos que circundam sinapses individuais dentro do volume monitorado por um astrócito. Os PAPs expressam transportadores de neurotransmissores que interrompem a transmissão sináptica e permitem a reciclagem de neurotransmissores, além de serem capazes de controlar a liberação de gliotransmissores na sinapse.

O cérebro opera em vários estados, que vão do sono profundo ao estado de alerta, dependendo da atividade das várias estruturas da rede moduladora, que liberam neuromoduladores em combinações de padrões difusos e específicos de cada área.

Embora os astrócitos sejam células espacialmente limitadas (ao contrário dos neurônios, que podem se estender por até um metro ou mais de tecido, apesar de serem microscópicos), eles ainda exercem efeitos que vão desde o nível das sinapses até estruturas cerebrais inteiras.

As células gliais radiais são células bipolares que, no desenvolvimento inicial do SNC dos vertebrados, abrangem toda a espessura da parede do tubo neural, com uma extremidade na superfície pial e outra na superfície ventricular.

Os oligodendrócitos (que significa “células com poucos ramos”) têm esse nome porque, ao contrário dos astrócitos, possuem apenas alguns processos que emergem do corpo celular. No entanto, esses são processos altamente especializados que podem se tornar enormes de uma maneira muito particular e organizada: envolvendo os axônios.

As micróglia, ou “pequenas células gliais”, são macrófagos auto-renováveis que ocupam todo o SNC desde o início do desenvolvimento, juntamente com os primeiros neurônios. Assim como os astrócitos, as células microgliais estão distribuídas uniformemente no tecido do SNC, ocupando volumes 3D exclusivos de cada célula microglial.

As microglías não têm, na verdade, origem nervosa, ou seja, não derivam do neuroectoderma. Todas as células microgliais do cérebro adulto saudável surgem de células progenitoras eritromieloides do saco vitelino embrionário, que migram para o cérebro no início do desenvolvimento, até à formação da barreira hematoencefálica.

A inibição neuronal, que consiste em qualquer processo que impede os neurônios de atingirem o limiar para disparar potenciais de ação, é geralmente equiparada à neurotransmissão GABAérgica rápida. No entanto, as células microgliais fornecem constitutivamente uma inibição não sináptica mais lenta aos neurônios, proporcionalmente à sua taxa de atividade, na forma de sinais purinérgicos que são produtos da degradação do ATP.

ATP, presente em grandes concentrações no interior das células, onde funciona como moeda energética, é uma molécula altamente instável. Devido à sua curta meia-vida, os níveis de ATP provenientes da liberação conjunta pelos neurônios, juntamente com os neurotransmissores, durante a excitação neuronal são normalmente baixos.

A matriz extracelular que envolve os neurônios pode, por vezes, estar organizada de tal forma que justifica a designação por um nome diferente: redes perineuronais. Trata-se de agregados de macromoléculas em forma de rede, constituídos por uma estrutura de hialuronano à qual se ligam proteoglicanos de sulfato de condroitina, sulfatos de heparina e outros glicosaminoglicanos, todos estabilizados por proteínas de ligação.

A excitabilidade neuronal é frequentemente definida em associação com a capacidade dos neurônios de gerar potenciais de ação, ou seja, inversões repentinas da polaridade da membrana. No entanto, os neurônios são excitáveis mesmo quando não geram potenciais de ação; na verdade, não desencadear um potencial de ação em determinadas circunstâncias é uma característica fundamental da função neuronal.

É a propriedade das membranas celulares de separar dois ambientes, como barragens, que permite que as células existam como entidades vivas e dinamicamente desequilibradas. É porque as membranas celulares são um pouco permeáveis a determinados íons que elas mantêm uma carga: o potencial de membrana que permite que os neurônios façam o que fazem, que é gerar, conduzir e transmitir sinais.

Assim como a quantidade de vazamento da comporta define o nível de uma barragem, é a permeabilidade celular que define o potencial de membrana. É importante ressaltar que não é a permeabilidade à água, mas a permeabilidade a íons selecionados, que são átomos carregados, que define a carga das membranas neuronais.

Os neurônios não estimulados têm um potencial de membrana normalmente entre -40 e -80 mV (negativo no lado intracelular da membrana celular). Na prática, isso significa que, nos momentos em que os neurônios não estão descarregando potenciais de ação ou aumentando para isso, seu potencial de membrana oscila para cima e para baixo em torno de -70 mV.

O potencial de membrana de um neurônio saudável é polarizado, o que significa desigual através da membrana celular, em uma voltagem que reflete a permeabilidade atual da membrana celular. Qualquer alteração na combinação de canais iônicos abertos (e, portanto, na permeabilidade da membrana) ou no equilíbrio iônico provoca fluxo de corrente líquido à medida que a membrana se aproxima de seu novo potencial de equilíbrio.

Nossas mentes gostam de encontrar padrões e classificar tudo o que vemos em categorias organizadas que correspondem ao que já sabemos. Como a maioria dos neurocientistas e estudantes vê os cérebros dos vertebrados antes de se deparar com as múltiplas variedades de invertebrados, eles são naturalmente tentados a usar a ontologia do cérebro dos vertebrados como referência para comparar todos os outros cérebros e sistemas nervosos.

Se o cérebro é definido como um órgão, então, por definição, ele é mais do que um conjunto de células integradas em um determinado local (que constituem tecidos: por exemplo, um gânglio ou um núcleo); é, na verdade, um conjunto de tecidos com função integrada. Isso significa que um conjunto de células no sistema nervoso merece ser chamado de “cérebro” se tiver estruturas internas reconhecíveis, ou seja, vários tipos de tecidos — não apenas gânglios.

Todos os animais se originam de uma única célula, formada pela união de gametas. Os tumores também se originam de uma única célula, mais tarde na vida. A diferença entre a gênese de um ser complexo e de um tumor é que o primeiro é um processo organizado de proliferação celular, associado a uma diferenciação progressiva ao longo das linhagens do destino celular, que produz formas (silhuetas) de maneira ordenada, ou seja, é morfogenético.

Todos os animais se originam de uma única célula no início do desenvolvimento. Quando o destino adulto de qualquer célula pode ser previsto pela sua posição hierárquica na sequência de divisões celulares e cascatas de expressão gênica que formam o corpo, diz-se que o desenvolvimento é determinado. Isso acontece em embriões que passam por clivagem espiral, por exemplo, como insetos e vermes redondos.

Tal como os invertebrados, os vertebrados desenvolvem-se a partir de uma célula inicial (o zigoto) que passa por várias rondas de divisão celular antes do início da diferenciação celular. No entanto, embora existam sinais posicionais que afetam o destino das células, os diferentes tipos de células não são uma simples consequência de uma localização específica no embrião ou da posição na sequência de divisões celulares: quando uma determinada célula é eliminada, outra pode tomar o seu lugar.

Não existe um “sistema nervoso dos invertebrados”: existem vários tipos de invertebrados, tal como o conceito de “sabão” se aplica a sabonetes em barra, líquidos, detergentes para a cozinha, detergentes para a roupa e detergentes para a louça, e cada grupo de invertebrados tem um sistema nervoso organizado de uma maneira específica.

É um equívoco comum pensar que os vertebrados surgiram como uma versão “invertida” do plano corporal dos invertebrados. Primeiro, tanto as linhagens dos vertebrados quanto as dos invertebrados podem ser rastreadas até o mesmo período da história geológica: a explosão cambriana, quando a vida “de repente” se tornou tridimensional. Trata-se, portanto, de clados irmãos, e não de uma linhagem ancestral e uma derivada.

Nos invertebrados que são complexos o suficiente para ter cérebros discerníveis (em vez de meras cadeias de neurônios ou coleções de gânglios), as estruturas cerebrais são tipicamente compostas principalmente por neuropilo, rodeado por pequenos corpos celulares neuronais. No entanto, esses cérebros têm vários tipos de organização.

A maioria dos livros didáticos ainda afirma que os cnidários (anêmonas e águas-vivas) são animais “primitivos” cujo sistema nervoso é simplesmente uma rede difusa. Isso é impreciso em ambos os aspectos. Os cnidários vivos hoje não são de forma alguma uma versão “congelada no tempo” de criaturas antigas que se pareciam com as atuais, mas animais modernos que evoluíram ao longo de dezenas de milhões de anos.

A história evolutiva de todas as espécies de vertebrados, que juntas compõem os Vertebrata, pode ser rastreada até um ancestral comum exclusivo. Dentro dos vertebrados, os mamíferos e os répteis são grupos irmãos, e as aves são um tipo específico de réptil.

As aparências enganam: à primeira vista, o cérebro dos vertebrados é um conjunto de estruturas diferentes, algumas empilhadas umas sobre as outras, outras lado a lado, outras ainda envolvendo outras — e até mesmo algumas que parecem formar uma série que constitui um “tronco” que conecta o cérebro à medula espinhal. Mas não se engane: o conjunto todo já foi um único tubo e continua sendo um único tubo.

Assim, o desenvolvimento é o processo de proliferação organizada pelo qual aquela célula inicial dá origem a diferentes linhagens que formarão diferentes tecidos, os quais se agrupam em diferentes órgãos que compõem as diferentes partes de todo o corpo. Os corpos dos vertebrados tornam-se, assim, altamente complexos.

Desde o Cambriano, há mais de 500 milhões de anos, a vida animal tem sido tridimensional, em contraste com as formas de vida planas, mas já segmentadas, que dominavam o pré-Cambriano. A menos que voltemos no tempo, não há como saber realmente como eram os primeiros embriões — os estágios de desenvolvimento inicial, um tanto organizados, mas ainda longe de estarem completos.

Todo o sistema nervoso dos vertebrados origina-se da porção mediana do ectoderma, a camada externa do disco embrionário plano, à medida que suas células são induzidas pela notocorda a adotar um destino neural durante o desenvolvimento (ou seja, começam a restringir suas cascatas de expressão gênica e a se diferenciar). A zona do ectoderma restrita ao desenvolvimento do sistema nervoso é agora o neurectoderma, e sua extensão na superfície do embrião é a placa neural.

Todo o sistema nervoso dos vertebrados — SNC e SNP — é um derivado da placa neural, uma zona especializada do ectoderma, a mesma camada embrionária que forma a epiderme da pele. O sistema nervoso não é superficial, como a pele, porque toda a placa neural é internalizada.

Assim que o tubo neural se fecha, suas paredes se expandem de forma heterogênea. Como algumas zonas sofrem maior proliferação celular do que outras, formam-se protuberâncias bilaterais, ou vesículas, ao longo do tubo neural, e o tubo se curva juntamente com o embrião ao longo de flexões que se tornam reconhecíveis.

O sistema nervoso dos vertebrados é um derivado do ectoderma, a mesma camada embrionária que forma a epiderme da pele. Por meio de um processo de proliferação e migração celular, uma região do ectoderma ao longo da linha média do embrião, no eixo anteroposterior em formação, se projeta formando duas cristas que revestem um sulco que, ao se dobrar, forma um tubo que se desprende do ectoderma: esse é o tubo neural.

A crista neural é uma estrutura pluripotente transitória no embrião dos vertebrados que forma não apenas os gânglios sensoriais, efetores viscerais e entéricos do sistema nervoso periférico, mas também a maioria das estruturas da cabeça dos vertebrados, incluindo todo o esqueleto facial e os tecidos faciais, a maior parte dos ossos cranianos (exceto o occipício e uma parte da cápsula ótica), todos os melanócitos e o sistema cardiovascular.

Os vertebrados compartilham várias características, e possuir um esqueleto cartilaginoso que pode se ossificar é apenas uma delas. Uma característica marcante exclusiva dos vertebrados (ou seja, que não é compartilhada com os cefalocordados ou uro-cordados) é a presença de uma crista neural organizada.

O sistema nervoso dos vertebrados é um derivado do ectoderma, a mesma camada embrionária que forma a epiderme da pele. Por meio de um processo de proliferação e migração celular, uma região do ectoderma da linha média, ao longo do eixo ântero-posterior em formação, invagina-se em um sulco que, em seguida, se dobra e forma um tubo que se destaca do ectoderma: esse é o tubo neural.