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À procura da batida perfeita

Grupo internacional de pesquisadores investiga batimento cardíaco para entender o sistema nervoso autônomo

setembro de 2014
Sidarta Ribeiro
Darren Hopes/Ikon Images/Getty images
unca houve tanta informação disponível sobre o cérebro como agora. Temos acesso a detalhes surpreendentes do funcionamento neural por meio da tomografia por emissão de pósitrons, ressonância magnética funcional, registros de imagem como os eletroencefalográficos e magnetoencefalográficos, exames invasivos com diferentes tipos de eletrodos, imageamento em tempo real de cálcio e de processos metabólicos específicos e, mais recentemente, também com o auxílio da optogenética (área da ciência que combina a óptica e a genética para estudar circuitos neurais).

Essa ampla variedade de técnicas oferece aos pesquisadores do século 21 a oportunidade de tentar resolver um dos maiores problemas da neurociência: descobrir os códigos utilizados pelo sistema nervoso para converter estímulos do ambiente em percepções, bem como para transformar motivações internas em ações. Mas como esses códigos são escritos? Se os circuitos anatômicos podem ser considerados o hardware cerebral, isto é, a estrutura física, é possível ter acesso ao seu software, à programação em si?

Em outras palavras, há esperança de compreender como esses circuitos são utilizados para gerar as múltiplas funções cerebrais? Será que conseguiremos avançar tão profundamente a ponto de identificar as regras que determinam os comportamentos que observamos nos neurônios? Por muitas décadas, neurocientistas de vários países dedicaram-se a experimentos para tentar responder a essas questões. Eles partiram da premissa de que deveriam usar estímulos artificiais muito simples para investigar o cérebro, pois esses estímulos representariam os elementos fundamentais, subjacentes aos mais complexos.

Abordagens mais recentes do problema dos códigos neurais consideram que a adaptação ocorre diante de estímulos ecologicamente relevantes, ou seja, agentes externos naturais que teriam motivado a evolução dos organismos e, portanto, seriam o objetivo do processo adaptativo. Uma das estratégias mais utilizadas para estudar o cérebro atualmente supõe que ele processa a informação captada pelos órgãos sensoriais por meio do princípio da codificação eficiente, conceito proposto pelo neurocientista britânico Horace Barlow, em 1961, como um modelo geral para a codificação das informações sensoriais pelo sistema neural. Barlow partiu de uma investigação das metas computacionais do sistema visual. Na retina, por exemplo, ocorreria uma redução substancial da redundância de brilho presente nos pontos adjacentes de uma imagem.

Para Barlow, o modelo eficiente seria o que minimizasse a quantidade de impulsos neurais utilizados para transmitir a informação desejada. O neurocientista inspirou-se na teoria da informação, de Claude Shannon (1916-2011), segundo a qual toda transmissão de mensagens está sujeita a interrupções e a ruídos ao longo do percurso entre fonte e receptor. Segundo ele, os caminhos neurais percorridos por informações sensoriais são similares a canais de telecomunicação. Assim, a codificação neural seria realizada com o intuito de maximizar a capacidade do canal e assim reduzir a redundância da comunicação, aproximando-se dos limites teóricos para transmissão de informação.

Uma forma de diminuir a redundância em um conjunto de neurônios é supor que determinada célula neural responde apenas ocasionalmente, ou seja, de forma esparsa. De fato, foi demonstrado que células do córtex visual de primatas respondem dessa maneira quando estimuladas com sequências de imagens naturais. Esse comportamento é observado também no córtex auditivo. No caso da visão, a informação percorre um caminho que se inicia na retina e chega até o córtex visual primário, uma área posterior do cérebro. Nesse local, os neurônios mostram-se seletivamente responsivos à estimulação de regiões restritas do campo visual, com áreas bem demarcadas de inibição e excitação: os campos receptivos. É possível fazer uma aproximação matemática da disposição espacial das regiões inibitórias e excitatórias de um campo receptivo com wavelets de Gabor – estruturas geométricas oscilatórias, com ondulações nas abas, que costumam ser comparadas com sombreiros mexicanos estilizados.

Diversos estudos aplicaram o conceito de redução de redundância a respostas neuronais no córtex visual primário. O resultado foi sur­preendente: tomando-se como estímulo amostras aleatórias de partes de imagens naturais, diversos grupos de pesquisadores encontraram um código composto de funções de Gabor. Dados similares foram encontrados nas respostas do córtex auditivo de gatos quando estimulados acusticamente. Os resultados sugerem que a codificação neuronal nos córtices visual e auditivo ocorre por redução de redundância. Como tais regiões são relativamente recentes em termos evolutivos, cabe indagar se a redução de redundância pode ser observada também em partes mais antigas do sistema neural.

Para responder a essa pergunta, um grupo internacional de pesquisa integrado por pesquisadores do Japão, do Brasil e dos Estados Unidos foi articulado pelo pesquisador Allan Kardec Barros, professor da Universidade Federal do Maranhão e diretor da Agência Nacional de Petróleo. O grupo se dedicou especificamente a investigar o sistema nervoso autônomo por meio da análise do batimento cardíaco. Para compreender os resultados, publicados na revista PLoS One, é preciso ter em mente de que forma o coração responde a estímulos externos.

O batimento cardíaco se acelera quando nos assustamos. Para diminuirmos essa aceleração, utilizamos uma estratégia simples: respirar profunda e lentamente. A regulação da aceleração e desaceleração do batimento cardíaco é feita pelo sistema nervoso autônomo. Os autores aplicaram os algoritmos de codificação por redução de redundância a se­quências de batimentos cardíacos, cujas leis internas exigem um sistema formado por filtros. Estes funcionam como um circuito ressonante de comunicação, ou seja, cada um deles responde só a uma determinada frequência – como se o coração fosse uma estação receptora com várias antenas, controlada pelo sistema nervoso autônomo, que manipularia a resolução temporal e espectral para tornar as respostas cardíacas mais rápidas ou lentas.

O ritmo cardíaco é regulado por dois sistemas principais: o simpático, que desencadeia respostas rápidas, e o parassimpático, associado a respostas lentas. Há uma notável semelhança entre as respostas relacionadas a esses dois sistemas e o conjunto de filtros ativados pela codificação por redução de redundância. Além disso, o coração parece trabalhar com filtros bastante similares às funções de Gabor. Essa curiosa constatação pode resultar em predições interessantes, pois os mecanismos facilitadores que originam as oscilações cardiovasculares ainda não foram descritos matematicamente.

Mas como verificar se os filtros de codificação obtidos são biologicamente plausíveis? A tarefa de mapear o comportamento de resposta no coração diante de um estímulo qualquer requer um grande esforço, em especial por causa da complexidade dos sistemas cardiovascular e neural. Esse processo pressupõe o conhecimento de mecanismos que variam nas escalas de segundos a minutos, o que envolve vários sensores biológicos cujas respostas e interações não são facilmente compreensíveis. Para resolver esse problema, os autores propuseram um modelo simples no qual as respostas dos filtros derivados teoricamente são combinadas para produzir uma resposta única. Usando um conjunto de sinais fisiológicos compostos de estímulos e respostas provenientes de registros em coelhos, eles mostraram que a resposta conjunta dos filtros é capaz de predizer a resposta cardíaca com precisão surpreendente.

Os resultados corroboram a visão de que o sistema cardíaco é otimizado para utilizar a informação regulatória com o objetivo de manter a precisão dos batimentos cardíacos, preservando energia sem introduzir redundância. Pela observação de um número reduzido de descritores matemáticos (filtros) de acordo com o paradigma de codificação eficiente, os autores do estudo foram capazes de descrever mudanças sutis do ponto de regulação cardíaca que resultam em uma ampla variedade de ritmos cardíacos. O desafio agora é construir modelos computacionais que possam utilizar a resposta combinada de vários filtros para descobrir as bases do equilíbrio dinâmico entre interações simpáticas e parassimpáticas.

O estudo abre novas perspectivas, como a utilização de modelos avançados para simular outros aspectos da regulação fisiológica: controle do ganho cardíaco, da regulação glandular, da musculatura lisa e da respiração. Em suma, a pesquisa do grupo internacional sugere que a teoria de codificação eficiente representa um princípio geral de processamento de informações em sistemas biológicos, com aplicações que vão muito além da original, referente aos sistemas sensoriais. Na procura da batida perfeita, existe a possibilidade do vislumbre de uma lei geral da natureza.

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