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Como o cérebro processa informações sensoriais de órgãos internos




Um novo estudo fornece pistas sobre como o cérebro processa informações sensoriais de órgãos internos, revelando que o feedback dos órgãos ativa diferentes aglomerados de neurônios no tronco cerebral. Será que estamos há determinando o Homúnculo Visceral?

Fonte: Harvard

A maioria de nós pensa pouco sobre por que nos sentimos agradavelmente cheios depois de comer uma grande refeição de férias, por que começamos a tossir depois de inalar acidentalmente fumaça de fogueira, ou por que somos atingidos por náuseas repentinas depois de ingerir algo tóxico. No entanto, tais sensações são cruciais para a sobrevivência: elas nos dizem o que nossos corpos precisam a qualquer momento para que possamos ajustar rapidamente nosso comportamento.

No entanto, historicamente, pouca pesquisa tem sido dedicada à compreensão dessas sensações corporais básicas — também conhecidas como sentidos internos — que são geradas quando o cérebro recebe e interpreta a entrada de órgãos internos.

Agora, uma equipe liderada por pesquisadores da Harvard Medical School fez novos avanços na compreensão da biologia básica da detecção interna de órgãos, que envolve uma complicada cascata de comunicação entre células dentro do corpo.

Em um estudo realizado em camundongos e publicado em 31 de agosto na Nature, a equipe usou imagens de alta resolução para revelar mapas espaciais de como os neurônios do tronco cerebral respondem ao feedback de órgãos internos.

Eles descobriram que o feedback de diferentes órgãos ativa aglomerados discretos de neurônios, independentemente de essas informações serem mecânicas ou químicas na natureza — e esses grupos de neurônios representando diferentes órgãos são topograficamente organizados no tronco cerebral. Além disso, eles descobriram que a inibição dentro do cérebro desempenha um papel fundamental para ajudar os neurônios a responder seletivamente aos órgãos.

"Nosso estudo revela os princípios fundamentais de como diferentes órgãos internos são representados no tronco cerebral", disse o autor principal Chen Ran, pesquisador em biologia celular no HMS.

A pesquisa é apenas um primeiro passo para elucidar como os órgãos internos se comunicam com o cérebro. No entanto, se os achados forem confirmados em outras espécies, incluindo os humanos, eles podem ajudar os cientistas a desenvolver melhores estratégias terapêuticas para doenças como distúrbios alimentares, bexiga hiperativa, diabetes, distúrbios pulmonares e hipertensão que surgem quando o sensor interno dá errado.

"Acho que entender como as entradas sensoriais são codificadas pelo cérebro é um dos grandes mistérios de como o cérebro funciona", disse o autor sênior Stephen Liberles, professor de biologia celular no Instituto Blavatnik do HMS e pesquisador do Howard Hughes Medical Institute. "Isso dá incursões para entender como o cérebro funciona para gerar percepções e evocar comportamentos."

Subestudado e mal compreendido

Por quase um século, os cientistas vêm estudando como o cérebro processa informações externas para formar os sentidos básicos de visão, olfato, audição, paladar e toque que usamos para navegar pelo mundo. Com o tempo, eles compilaram suas descobertas para mostrar como as várias áreas sensoriais do cérebro são organizadas para representar diferentes estímulos.

Em meados da década de 1900, por exemplo, pesquisas sobre o toque levaram os cientistas a desenvolver o homunculus cortical para o sistema somatosensorial — uma ilustração que retrata partes do corpo cartunescos sobre a superfície do cérebro, cada parte posicionada para se alinhar com o local onde é processada, e atraída para escala baseada na sensibilidade.

Em 1981, os professores de Harvard David Hubel e Torsten Wiesel ganharam um Prêmio Nobel por suas pesquisas sobre visão, nas quais eles metodicamente mapearam o córtex visual do cérebro registrando a atividade elétrica de neurônios individuais respondendo a estímulos visuais.

Em 2004, outro par de cientistas ganhou um Prêmio Nobel por seus estudos sobre o sistema olfativo, no qual identificaram centenas de receptores olfativos e revelaram precisamente como os insumos de odor são dispostos no nariz e no cérebro.

No entanto, até agora, o processo pelo qual o cérebro sente e organiza o feedback dos órgãos internos para regular funções fisiológicas básicas como fome, saciedade, sede, náusea, dor, respiração, batimentos cardíacos e pressão arterial permaneceu misterioso.

"Como o cérebro recebe entradas de dentro do corpo e como ele processa essas entradas foram muito pouco estudadas e mal compreendidas", disse Liberles.

Isso talvez seja porque o sensor interno é mais complicado do que o sensoriamento externo, acrescentou Ran. Os sentidos externos, explicou, tendem a receber informações em um único formato. A visão, por exemplo, é baseada inteiramente na detecção de luz.

Em contraste, órgãos internos transmitem informações através de forças mecânicas, hormônios, nutrientes, toxinas, temperatura e muito mais — cada um dos quais pode atuar em múltiplos órgãos e traduzir em múltiplas respostas fisiológicas. O estiramento mecânico, por exemplo, sinaliza a necessidade de urinar quando ocorre na bexiga, mas se traduz em saciedade quando acontece no estômago e desencadeia um reflexo para parar a inalação nos pulmões.

Uma constelação de neurônios

Em seu novo estudo, Liberles, Ran, e colegas se concentraram em uma região de tronco cerebral chamada núcleo do trato solitário, ou NTS.

O NTS é conhecido por receber informações sensoriais de órgãos internos através do nervo vago. Ele retransmite essas informações para regiões cerebrais de alta ordem que regulam respostas fisiológicas e geram comportamentos. Desta forma, o NTS serve como um portal sensorial interno para o cérebro.

Os pesquisadores usaram uma técnica poderosa chamada imagem de cálcio de dois fótons que mede os níveis de cálcio em neurônios individuais no cérebro como um proxy para a atividade neuronal.

A equipe aplicou essa técnica a camundongos expostos a diferentes tipos de estímulos internos de órgãos e usou um microscópio para registrar simultaneamente as respostas de milhares de neurônios no NTS ao longo do tempo. Os vídeos resultantes mostram neurônios se iluminando por todo o NTS, assim como estrelas piscando e desligando no céu noturno.

Técnicas tradicionais de imagem, que envolvem a inserção de um eletrodo para gravar um pequeno grupo de neurônios em um único ponto de tempo "são como ver apenas alguns pixels de uma imagem de cada vez", disse Ran. "Nossa técnica é como ver todos os pixels de uma vez para revelar toda a imagem em alta resolução."

A equipe descobriu que estímulos em diferentes órgãos internos — por exemplo, o estômago versus a laringe — geralmente ativavam diferentes aglomerados de neurônios no NTS. Em contraste, os pesquisadores identificaram vários casos em que estímulos mecânicos e químicos no mesmo órgão que muitas vezes evocam a mesma resposta fisiológica (como tosse ou saciedade) ativaram neurônios sobrepostos no tronco cerebral. Esses achados sugerem que grupos específicos de neurônios podem ser dedicados a representar órgãos específicos.

Além disso, os pesquisadores descobriram que as respostas no NTS foram organizadas como um mapa espacial, que eles apelidaram de "homúnculo visceral" em um aceno ao homúnculo cortical análogo desenvolvido décadas atrás.

Finalmente, os cientistas estabeleceram que a sinalização de órgãos internos para o tronco cerebral requer a inibição dos neurônios. Quando usavam drogas para bloquear a inibição, os neurônios do tronco cerebral começaram a responder a múltiplos órgãos, perdendo sua seletividade prévia.

O trabalho estabelece as bases para "estudar sistematicamente a codificação de sentidos internos em todo o cérebro", disse Ran.


Uma base para o futuro

As descobertas levantam muitas questões novas, algumas das quais a equipe do HMS gostaria de abordar.

Ran está interessado em investigar como o tronco cerebral transmite informações sensoriais internas para regiões cerebrais de alta ordem que produzem as sensações resultantes, como fome, dor ou sede.

Liberles quer explorar como o sistema sensorial interno funciona em um nível molecular. Em particular, ele gostaria de identificar os receptores sensoriais primários que detectam estímulos mecânicos e químicos dentro dos órgãos.

Outra área para futuras pesquisas é como o sistema é criado durante o desenvolvimento embrionário. As novas descobertas, disse Liberles, sugerem que olhar apenas para o tipo de neurônio não é suficiente; os pesquisadores também devem considerar onde os neurônios estão localizados no cérebro.

"Precisamos estudar a interação entre os tipos de neurônios e suas posições para entender como os circuitos são conectados e o que os diferentes tipos de células fazem no contexto de diferentes circuitos", disse ele.

Liberles também está interessado em quão generalizáveis são as descobertas para outros animais, incluindo os humanos. Embora muitas vias sensoriais sejam conservadas entre as espécies, ele observou, também há importantes diferenças evolutivas. Por exemplo, alguns animais não apresentam comportamentos básicos, como tosse ou vômito.

Se confirmados em humanos, os achados da pesquisa poderiam eventualmente informar o desenvolvimento de melhores tratamentos para doenças que surgem quando o sistema sensorial interno funciona mal.

"Muitas vezes essas doenças ocorrem porque o cérebro recebe feedback anormal de órgãos internos", disse Ran. "Se tivermos uma boa ideia de como esses sinais são codificados diferencialmente no cérebro, podemos um dia descobrir como sequestrar esse sistema e restaurar a função normal."

Outros autores incluem Jack Boettcher, Judith Kaye e Catherine Gallori do HMS.


Financiamento: O trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (bolsas DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), a Iniciativa de Ciência da Alergia Alimentar, uma Bolsa de Pós-Doutorado Leonard e Isabelle Goldenson, a Iniciativa de Ciência do Cérebro de Harvard e a Associação Americana de Diabetes.

Author: Dennis Nealon

Source: Harvard

Contact: Dennis Nealon – Harvard

Original Research: Open access.

“A brainstem map for visceral sensations” by Chen Ran et al. Nature

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