Uma Introdução à Neurofisiologia

O campo da neurofisiologia fornece uma visão de como o sistema nervoso funciona e como sua disfunção pode levar à doença. Fisiologia é o estudo de como os organismos e suas partes funcionam. A neurofisiologia pode ser definida como o estudo do funcionamento do sistema nervoso, que inclui o cérebro, a medula espinhal, nervos periféricos e órgãos sensoriais.

Neurofisiologistas se aproximam do sistema nervoso em múltiplos níveis de organização que incluem sistemas funcionais, circuitos, neurônios únicos e compartimentos neuronais.

Este vídeo apresenta uma breve história da neurofisiologia, introduz as principais perguntas feitas pelos neurofisiologistas, descreve alguns métodos proeminentes e finalmente discute aplicações deste campo.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes na história da neurofisiologia.

As propriedades do sistema nervoso têm cativado a humanidade desde pelo menos 1600 a.C., quando os egípcios elaboraram o texto mais antigo sobrevivente mencionando o cérebro.

Saltando para a era moderna, em 1771, Luigi Galvani demonstrou que um choque elétrico poderia fazer um músculo sapo morto se contrair. Ele alegou que esse efeito foi devido à "eletricidade animal".

Foi só na década de 1840 que Emil Du Bois-Reymond foi capaz de provar que a eletricidade animal era na verdade um impulso nervoso ou "potencial de ação".

Passando para 1924, Hans Berger registrou a natureza elétrica da atividade cerebral global em humanos por eletroencefalografia ou EEG, uma técnica que ainda é amplamente utilizada pelos neurofisiologistas atuais.

Mais tarde, em 1939, Alan Hodgkin e Andrew Huxley determinaram que as membranas celulares neurônios permitiam que partículas carregadas fluíssem para dentro e para fora de forma previsível no axônio gigante da lula.

Em 1951, Sir John Eccles descobriu uma maneira crítica em que a informação é transmitida de um neurônio para outro. Ele descreveu a sinapse química onde o sinal elétrico de um neurônio é convertido em um sinal químico que é recebido por um segundo neurônio.

Então, em 1976, Erwin Neher e Bert Sakmann desenvolveram a técnica de grampo de remendo, que forneceu uma maneira de estudar as membranas de células excitáveis em detalhes requintados.

Mais recentemente, em 2005, Karl Diesseroth, Ed Boyden e Feng Zhang criaram uma estratégia revolucionária chamada optogenética para controlar as propriedades elétricas dos neurônios, projetando-os geneticamente para expressar canais sensíveis à luz pertencentes a uma família de proteínas chamada "opsinas". Ao ativar esses canais com luz direcionada, neurônios específicos podem ser animados ou inibidos com uma precisão que não era anteriormente possível, permitindo uma manipulação detalhada dos circuitos neuronais.

Agora que revisamos os destaques históricos, vamos examinar algumas das perguntas fundamentais feitas pelos neurofisiologistas hoje.

Para começar, alguns pesquisadores se concentram em como as funções de nível celular e molecular dos neurônios individuais são reguladas.

Por exemplo, eles podem estudar como receptores específicos em dendritos contribuem para a resposta pós-sináptica, o que poderia levar a um potencial de ação. Eles também podem investigar o acoplamento excitação-secreção na sinapse, o que significa que eles estão interessados em como a excitação neuronal e as máquinas presinápticas afetam a liberação de neurotransmissores.

Outros neurofisiologistas perguntam como os neurônios processam informações recebidas em suas arboris dendríticas. Eles podem usar múltiplas técnicas para investigar o axônio, dendritos e espinhas dendríticas de um único neurônio simultaneamente.

Outros neurofisiologistas estudam como circuitos neuronais processam informações. Os circuitos são geralmente estudados no contexto de um simples comportamento ou resposta de estímulo que eles são pensados para controlar.

Alguns neurofisiologistas olham para padrões de atividade sobre as grandes regiões do sistema nervoso. Eles podem perguntar como a atividade cerebral, mostrada em amarelo e vermelho, se move entre as regiões cerebrais dependendo do que o sujeito está fazendo.

Como você pode ver, um neurofisiologista pode abordar uma série de questões científicas, desde moléculas únicas em neurônios até atividade generalizada no cérebro.

Agora que você tem uma noção de algumas das principais perguntas feitas pelos neurofisiologistas, vamos olhar para alguns dos métodos proeminentes usados para respondê-los.

A fixação de patches é uma das técnicas mais utilizadas para investigar neurônios no nível celular e molecular. Usando um pouco de sucção, um eletrodo capilar de vidro fino é selado no neurônio permitindo o monitoramento interno da excitabilidade celular inteira. Há também configurações de grampos de remendo onde um pequeno pedaço de membrana é extirpado da célula, fornecendo assim acesso ao lado citoplasmásmico da membrana plasmática para manipulação farmacológica.

Imagens de cálcio podem ser usadas para investigar excitação sobre todo o neurônio. Os neurônios são carregados com um corante que muda sua fluorescência em resposta a uma concentração elevada de cálcio dentro da célula. Embora o cálcio intracelular tenha muitas funções, a imagem de cálcio pode ser usada como medida indireta de potenciais de ação, como mostrado com este neurônio de exemplo.

Técnicas usadas para estudar circuitos neurais precisam ser capazes de monitorar muitos neurônios ao mesmo tempo. O uso de matrizes multieletrísmos com muitos contatos é um método usado para gravar a partir de múltiplos neurônios simultaneamente.

Circuitos neurais também podem ser investigados usando optogenética, na qual os neurônios são modificados para expressar canais de íons sensíveis à luz. Quando expostos à luz, esses canais se abrem e, dependendo de sua seletividade de íons, podem inibir ou excitar o neurônio, o que fornece uma visão sobre o papel que o neurônio desempenha em um determinado circuito e a resposta comportamental regida por esse circuito.

Para visualizar padrões de atividade em uma escala mais ampla, uma variedade de técnicas são usadas. Eletroencefalografia ou EEG usa eletrodos no crânio para monitorar a atividade elétrica em todo o cérebro.

Um segundo método é a eletrocorticografia ou ECoG, que também monitora a atividade elétrica, exceto que os eletrodos são colocados na superfície do cérebro. Este método é tipicamente realizado em conjunto com um procedimento clínico como aqueles realizados em pacientes com epilepsia. Alternativamente, uma técnica conhecida como espectroscopia funcional quase infravermelha emprega luz infravermelha para monitorar o uso de oxigênio como uma correlação da atividade neural, que pode ser monitorada durante tarefas comportamentais.

Agora que você está familiarizado com algumas abordagens de pesquisa comuns, vamos olhar para algumas aplicações de pesquisa neurofisiológica.

Um dos principais objetivos deste campo é descobrir a causa e o tratamento da disfunção do sistema nervoso, como na epilepsia. Uma abordagem é implantar eletrodos para registros eletrocorticográficos da atividade cerebral do paciente, a fim de localizar as regiões disfuncionais causadoras de convulsões do cérebro.

Uma nova aplicação excitante para neurofisiologia é o desenvolvimento de interfaces cérebro-máquina. Nessas interfaces, a atividade cerebral é monitorada enquanto o sujeito pensa em fazer uma tarefa, como mover um cursor em uma tela. A atividade é alimentada no computador como o sinal de comando do cursor. Em essência, este é o controle do dispositivo usando o pensamento.

Outra aplicação da neurofisiologia é a investigação de circuitos neurais usando optogenética. Ao montar um cabo de fibra óptica que se conecta a um acoelhador implantado no cérebro de um rato geneticamente modificado, esses pesquisadores podem visualizar diretamente o resultado comportamental de estimular circuitos neurais definidos.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE à neurofisiologia e seu estudo do sistema nervoso. Revisamos destaques históricos, perguntas-chave feitas por neurofisiologistas e algumas das técnicas que eles usam.

Obrigado por assistir!