O SISTEMA NERVOSO CENTRAL

Anatomia da transmissão

A célula nervosa possui um corpo, muitos dendritos e um axônio. Este poderá fazer contato com os corpos ou dendritos de um ou de milhares de outros neurônios. O extremo de cada axônio – ou suas ramificações – está formado por uma dilatação parecida com um botão, chamada vesícula pré-sináptica. Esta está separada da membrana celular da célula "alvo" por uma fenda de 200 a 400 Angstroms. Essa membrana é chamada pós-sináptica. O conjunto denominado sinapse (ver figura 42) é composto pelo sistema de conexão entre nervos ou nervos e músculos.

Dentro do botão pré-sináptico, próximo à membrana celular, existem vesículas – pequenos glóbulos – cheios de acetilcolina, um neurotransmissor. Essa substância química facilita as comunicações entre dois neurônios, banhando a região sináptica, transmitindo os impulsos nervosos.

Figura 32 (5i): A Estrutura do Neurônio. Um neurônio típico tem quatro regiões morfologicamente definidas: dendritos (1), corpo celular (2) com o núcleo (2a) e a membrana celular (2b). O axônio (3) mostra bainhas de Schwann (7) e os nódulos de Ranvier (4) que as separam e dentro das quais corre a fibra nervosa (8). Vemos (8) uma sinapse no extremo de uma ramificação do axônio.

O potencial de ação.

O sistema nervoso central (SNC) está formado por células de dois tipos fundamentais: as excitáveis, com função de comunicação (célula nervosa, neurônio), e as da glia, com função de suporte mecânico e energético das primeiras. A célula nervosa consta, como toda célula, de um citoplasma rodeado de uma membrana. O citoplasma, de consistência de gel, contém todas as organelas que suportam as funções vitais da célula e que sintetizam substâncias que, quando liberadas pela membrana, podem atingir receptores de outras células e excitá-las.

A membrana celular, de longe a mais importante estrutura deste tipo de células, consta de duas capas externas de moléculas protéicas, e uma interna de moléculas lipídicas. É permeável em forma seletiva a diversas substâncias, por exemplo, a água. Outras podem passar esta membrana quando cumpridas certas condições, como, por exemplo, serem previamente desdobradas e/ou acopladas a determinados radicais químicos. Um exemplo seria o da glicose, que deve ser previamente fosforilada com um radical ATP em presença de uma enzima facilitadora, a ATPase, e mediante o consumo de energia obtido pela redução do ATP para ADP. A reconversão desta para ATP requer energia obtida no ciclo de Krebs, com o consumo de glicose e O2 e liberação de CO2, água e calor. A integridade destes mecanismos metabólicos é fundamental para a correta função do sistema auditivo

As substâncias que mais interessam aos efeitos da geração das capacidades condutiva das células nervosas são o Na+, o Ca++ e, fundamentalmente, o K+. Espontaneamente, as proteínas do citoplasma tendem a tornar o meio interno negativo com respeito ao externo da célula que permanece constante, pois elas são geradas dentro da célula cuja membrana lhes é intransponível. O Na+ e o K+ poderiam circular através da membrana celular livremente e tenderiam, então, a entrar ou sair dela para procurar um equilíbrio de gradientes químicos e elétricos. Porém, um mecanismo, chamado "bomba de Sódio e Potássio" impede a entrada do Na+ e expulsa as moléculas que, eventualmente, estiverem no citoplasma. O processo ocorre mediado por "carregadores", moléculas de substâncias que, por terem afinidade específica com as moléculas a serem transportadas, unem-se a elas, formando uma nova molécula que já não está submetida ao gradiente eletroquímico ou de concentração e que pode, assim, difundir-se através da membrana. O processo específico do Na+-K+ é intermediado por um transportador, que é uma molécula enzimática formada por uma globulina combinada a uma glicoproteina, ambas de peso molecular 95.000 e 55.000 respectivamente, que recebem o nome de "ATPase sódio-potássio". Esta ATPase tem grande afinidade por Na+ e também por K+, de modo que inicia o processo se unindo a três moléculas de Na+ no interior da célula. Na face exterior da membrana, a molécula de Na+ é "liberada" da união ficando impossibilitada de reingressar na célula, apesar do gradiente de concentração ser favorável, por causa da suas insolubilidade nos lipídios da membrana. Na mesma reação, que é exotérmica e não requer energia, duas moléculas de K+ ocupam o lugar do sódio e são, por sua vez, transportadas – contra gradiente químico de ate 34 para 1 - para o interior da célula. No interior desta, a combinação magnésio-ATP é hidrolisada em magnésio-ADP e PO4---, com liberação de energia, que a ATPase usa para diminuir sua afinidade pelo potássio (que é, então, liberado no interior celular) e readquirir afinidade específica pelo Na+ para iniciar, assim, um novo ciclo de transporte. Notamos, então, que somente o processo intracelular de liberação do K+ é consumidor de energia, que é fornecida pela conversão ATP->ADP. A passagem por difusão do sódio e do potássio nos sentidos dos gradientes existem, porém, em quantidades muito menores que o processo ativo mencionado. O processo energético está representado na figura 33 e o global da bomba trans-membrana na figura 34.

Figura 33: [9]: esquematização do processo de intercâmbio energético pela hidrolise do ATP.

Figura 34: Bomba de ATPase [9]

O resultado é um acúmulo de cargas positivas no exterior celular. Este potencial de ação é mantido ativamente, com consumo de energia, já que ele existe contra o gradiente químico (de concentração). A membrana fica, então, configurada como repositório de energia potencial que será necessária para a ação seguinte, a despolarização. O interior de célula é sempre negativo em relação ao exterior. Nos neurônios, são comuns valores de 70 a 80 mV de diferença de potencial. Nas células ciliadas externas há uma situação diferente, pois elas estão imersas pela extremidade superior na endolinfa, que possui um potencial positivo adicional. Desse modo, essas células estão 80 mV mais negativas que a perilinfa, e 125 mV mais negativas que a endolinfa.

Vemos, na figura 35, um neurônio com o seu potencial de membrana estabelecido.

Lembraremos, neste ponto, que cada célula nervosa possui um longo "pseudópodo", o axônio, e também outros similares, em grande número e muito mais curtos, que são os dendritos. Pelo axônio circularão os potenciais eferentes (os que se afastam da célula) e pelos dendritos, os aferentes (que se aproximam dela). Em todo caso, ambos estão constituídos por citoplasma e membrana, tal como o corpo da célula. A única diferença é que o axônio não pode ser diretamente excitado por estímulos externos, mas somente pelo próprio corpo neuronal em processo de despolarização. Do ponto de vista prático, isso significa que o potencial de ação do axônio só pode ter inicio no ponto de união com o corpo celular.

Diversos tipos de estímulos podem chegar à superfície da célula ou a um dendrito. Dependendo do intermediário liberado pela célula excitadora, ela reagirá, seja diminuindo o nível de polarização da membrana (estímulos excitatórios), seja aumentando-o (estímulos inibidores). Quando a somatória (que pode ser espacial, com adição de distintos estímulos acontecendo em diferentes lugares da membrana, ou temporal, com sucessivos estímulos no mesmo local) de estímulos de ambos os tipos diminui o potencial de membrana, existe um determinado nível de polarização, variável para cada tipo de célula, a partir do qual se desencadeia um processo de despolarização total da membrana. Esse potencial crítico é chamado de limiar de despolarização. Vemos esse processo na figura 36 e seguintes.

Figura 35: Potencial de Repouso

Figura 36: Curva demonstrativa de um potencial de ação. Veja o aumento progressivo do potencial de repouso (área cinza) até chegar ao limiar de disparo. Este aumento pode ser automático (nas células que determinam, por exemplo, o ritmo cardíaco) ou provocado por potenciais pós-sinápticos excitatórios, ou bem, como no caso dos estéreo-receptores, por estímulos físicos (mecânicos, térmicos, luminosos, etc).

Quando alcançado esse limiar, produz-se a abertura de "canais" de cálcio na membrana celular. Estes são pontos na superfície da membrana que, sob ação de enzimas especificas, formam um poro permeável em forma específica para alguma substância, neste caso o cálcio. Esta entrada de Ca++ produz a apertura de canais de Na+ que, por sua vez, permitem seu afluxo maciço (por gradiente de concentração) para o citoplasma, tornando-o mais positivo do que a superfície externa da membrana, ou seja, invertendo sua polarização. Esse processo dura, aproximadamente, dez milisegundos e começa a ser revertido imediatamente, inicialmente devido à movimentação do K+ para o exterior da célula. Esta situação restaura progressivamente a polarização inicial, que é completada quando, por ação da bomba de Na+ novamente funcionante, este volta a ser expulso para o exterior, substituindo o K+ que, paralelamente, começa a entrar na célula. Este processo dura, aproximadamente, 15 milissegundos (ver figura 27) na célula ciliada auditiva. Devemos ressaltar que, durante o processo, a célula perde a sua energia potencial e fica incapacitada de ser novamente excitada, situação que somente voltará após o processo de restauração do potencial de repouso pela ATPase (bomba de Na+/K+). Este período é chamado de período refratário. Vemos, então, que o potencial de ação é um processo que, uma vez iniciado, cumpre um ciclo que só acaba quando restabelecido o potencial de repouso. É um processo de "tudo ou nada", sempre da mesma intensidade e que independe do tipo de estímulo que o provocou ou de qualquer outra situação simultânea. O período refratário, que possui uma fração absoluta e outra relativa, pode ser superado por estímulos suficientemente grandes o que permitiria ritmos de disparo mais rápidos.

Figura 37: Polarização elétrica durante o potencial de ação mostrando com a situação dos canais de Na+ e K+ em cada fase.

Uma característica do processo citado acima é que ele acontece numa região da membrana, e não em toda ela. As regiões vizinhas vêem seu potencial diminuir por influência do fenômeno acontecendo no ponto despolarizado até que, finalmente, alcançado o ponto limiar, sofrem um idêntico processo de despolarização. Este processo se repete até que toda a membrana tenha passado pelo processo, e isso inclui o axônio, que, devido a seu comprimento, transmitirá essa despolarização à distância.

A condução nervosa.

Logo a seguir do desencadeamento de um potencial de ação, que sempre se produz num dendrito ou no corpo celular, a reação se propaga em forma centrifuga. Isto é conseqüência da existência do período refratário, que impede que o estímulo se propague apenas no sentido da região da membrana que esteja ainda polarizada. A propagação é, então, unidirecional quando considerado todo o neurônio e irá se propagar pelo axônio celular até o seu extremo.

Figura 38: Um neurônio. Vemos o corpo e os dendritos, o axônio e as ramificações com os terminais pré-sinápticos, e a bainha de Schwann com os nódulos de Ranvier [10i].

Figura 39: Potencial de ação (inicio e propagação)

Figura 40: Potencial de ação em progressão. Em azul, despolarização. Em verde, período de repolarização, refratário.

Embora todos os impulsos nervosos sejam iguais durante o seu percurso pela membrana celular do axônio, eles podem ter diferentes resultados, uma vez que alcançam o final do axônio, onde se forma uma sinapse.

Figura 41: Potencial de ação avançando. Observe a seqüência dos canais de sódio (fechado, aberto, desativado, fechado) na medida em que o distúrbio no potencial de membrana avança. O potencial de cálcio só pode "viajar" afastando-se do local de origem, porque os canais de sódio atrás dele estäo fechados (e a membrana, em período refratário). Veja que os valores do potencial de membrana permanecem iguais antes e depois do distúrbio, o que determina a não diminuição do o potencial de ação durante o percurso.

Como veremos a seguir, em toda sinapse há a intermediação de transmissores químicos e alguns destes podem ser excitatórios da célula seguinte e outros podem ser inibidores. Portanto, uma troca da função dos intermediários pode inverter o significado do impulso que percorre a célula.

Não existe transferência elétrica no processo de condução nervosa e, portanto, o axônio não é um condutor elétrico, mas um condutor de informação cujos sinais são a liberação de intermediários químicos no final do percurso. O que impõe que haja, no final, um sistema capaz de reconhecer estes intermediários e reagir a eles de alguma maneira. Cada potencial desencadeado e transmitido se constitui em uma única e indivisível unidade de informação.

Uma variedade do sistema de transmissão está representada pela existência de axônios com fibra nua e outros com fibra mielinizada. Nestes, a fibra possui uma cobertura de células de Schwann, que possuem uma proteína chamada mielina. Ela é isolante e age como dielétrico fracionado em segmentos separados pelos nódulos de Ranvier. Nestes últimos, a fibra está exposta. O impulso nervoso "pula" de nódulo em nódulo (por transporte de potencial elétrico pelo meio ionizado intracelular) e isso acelera a velocidade de transmissão. A maior parte dos nervos motores e sensitivos estereoceptivos são deste tipo, incluindo o nervo acústico.

A seqüência no botão terminal ou vesícula pré-sináptica: inibição e excitação.

A sinapse é a região de união entre células nervosas em pontos onde a informação pode ser transmitida entre elas. A união è simplesmente proximidade, onde ambas as membranas celulares ficam separadas por uma distância muito pequena e imersas num médio capaz de permitir a circulação de intermediários químicos de uma à outra e de hidrolisá-los imediatamente. Estes intermediários são os neurotransmissores.

As substâncias neuro-transmissoras, ao se fixarem em partes receptores da membrana pos-sináptica por sus afinidade específica com eles, irão causar um efeito determinado pela sua ação específica. No SNC, esta só pode ser excitatória (diminuir o potencial de repouso) ou inibitória (elevar o potencial de repouso da membrana). De tal modo, um impulso nervoso, que é sempre igual a outro, irá variar na sua ação em decorrência do tipo de ação que seu nero-transmissor determina na sinapse, seja por causa do tipo de este, seja por causa do tipo de reação a este pela membrana celular pós-sináptica.

Estas substâncias – um exemplo muito comum é a acetilcolina, e outros a dopamina e as endorfinas - estão acumuladas em vesículas vizinhas à membrana celular, constituindo um pool de disponibilidade imediata.

Figura 42: Interfase sináptica mostrando as vesículas em processo de formação, acúmulo e abertura na superfície celular, o interstício e os receptores pós-sinápticos.

Quando o estímulo nervoso – a despolarização ou potencial de ação – chega ao extremo do axônio e se difunde pela porção de membrana celular que o recobre, canais específicos para o cálcio abrem-se e permitem que este ingresse na célula. Ao fazê-lo, o cálcio provoca a união de várias vesículas na membrana celular e o seu rompimento, derramando assim seu conteúdo de neuro-transmissores na fenda sináptica, aonde irão se unir aos receptores específicos da membrana pós-sináptica. Isto pode ser inibido na presença de muito magnésio, de pouco sódio ou de pouco cálcio. O principal transmissor é a acetilcolina. Calcula-se que existam 3.000 moléculas de acetilcolina em cada vesícula e há vesículas suficientes no neurônio para transmitir alguns milhares de impulsos. Como curiosidade, essa contínua recriação de moléculas, no caso, de acetilcolina, (que, lembrando, quando liberada, é hidrolisada pela colinesterase tissular, em acetato e colina).

É a mitocôndria que gera (através do consumo de glicose fosfatada em presença de oxigênio no ciclo de Krebs) a energia que será utilizada pelas vesículas que irão liberar as substâncias neurotransmissoras, e essa energia é armazenada na molécula ATP (Adenosintrifosfato). A geração dos intermediários é realizada de forma muito rápida, pois a quantidade de moléculas guardada nas vesículas é suficiente somente para poucos segundos de atividade.

Esta fragmentação dos intermediários serve para deixar livres os pontos da membrana (receptores) para receberem outros estímulos. Os fragmentos químicos desses transmissores são reabsorvidos pela célula original e, com aporte de energia, recombinados e deixados disponíveis novamente para serem liberados na chegada de outro potencial de ação. A quantidade de intermediários liberados por uma célula é sempre igual. De modo que, desde a geração do potencial de ação inicial até a geração de algum efeito na célula seguinte, o processo é um tudo-ou–nada e, também, de intensidade constante durante o percurso.

Figura 43: Um corpo neuronal. Vemos dois dendritos e a origem do axônio. Múltiplas ramificações de outros neurônios fazendo sinapse com o corpo e os dendritos, alguns inibitórios e outros excitatórios As setas brancas indicam a chegada de estímulos excitatórios[11].

Cada axônio pode ser dividido em centenas ou milhares de pequenas fibras que fazem contato

O conjunto desses terminais que incidem numa célula decidirá se continuarão através dela ou só se configurarão num conjunto de estímulos facilitadores, ou seja, estímulos subliminares que, somente com o auxilio de outras descargas neuronais, podem descarregar e fazer uma pós-sinapse funcionar como transmissora.

Cada célula nervosa requer um número determinado de estímulos excitatórios para atingir seu limiar de despolarização e iniciar um potencial de ação. Cada axônio emite centenas ou milhares de ramificações que farão contato com dendritos ou corpos celulares de um ou muitos outros neurônios. A área estimulada por cada fibra nervosa chama-se "campo estimulatório". Cada contato determina na célula seguinte uma modificação do seu potencial de membrana. Dependendo do número de contatos que uma célula faça com uma outra célula (e/ou da freqüência de descarga), será ou não capaz de desencadear nela um potencial de ação. Muitas vezes, consegue isso com alguma das células alcançadas e não com outras. Porém, cada contato e liberação de neuro-transmissores cria uma diminuição do potencial de membrana da outra célula, levando-a mais próxima do seu limiar de disparo. Isto constitui um estímulo excitatório subliminar. Este não despolariza o neurônio, mas torna-o mais excitável por impulsos provenientes de outras fontes, porque torna seu potencial de membrana mais próximo do limiar de excitação. Diz-se que o neurônio estimulado sem descarregar está "facilitado". Dessa forma, axônios de várias células, com poucos contatos cada uma delas com a célula alvo, poderão, em conjunto, iniciar um potencial de ação.

Isso faz com que em cada agrupamento celular os estímulos que chegam não provoquem determinados efeitos, mas dependerão da distribuição anatômica das conexões celulares. Por outro lado, uma célula ou grupo delas poderá fazer poucos contatos com cada célula de modo a nunca provocar seu disparo, mas, por meio de descargas sub-limiares de intermediários, regular o grau de pré-excitação dela, facilitando assim outra célula para despolarizá-la mais facilmente. Agiria, assim, como válvula reguladora de passagem de impulsos provenientes de outras células. Também pode acontecer que o resultado dos seus contatos sejam inibitórios, isto é, que aumentem o potencial de ação da outra célula, tornando-a mais refratária a estímulos de outras. Isto inverte a descrição que acabamos de fazer.

É evidente que um impulso tem sempre diversos caminhos a seguir. Do mecanismo escolhido pelo impulso depende o resultado do comando neural. Por que um caminho e não outro, naqueles nodos neuronais que permitem vários caminhos? Existem evidências de que a repetição de uma passagem de estímulo por uma sinapse facilita a passagem de outros posteriores, tanto mais quando mais freqüentemente seja utilizada. Por outra parte, verificou-se que, na membrana pós-sináptica e no citoplasma vizinho, aumentam o número de estruturas citoplasmáticas. O primeiro fenômeno seria a base do aprendizado, e este último, da memória. Em última analise, ambos estão estreitamente relacionados. A consciência, a memória e o aprendizado formam parte da função das sinapses neuronais.

A transmissão da informação no SNC

Na transmissão de informações nem sempre é conveniente falarmos de impulsos nervosos individuais. Ao invés disso, falaremos somente de impulsos. Este padrão denomina-se sinal. Por exemplo, quando é aplicada pressão na pele, os impulsos são transmitidos por um grande número de fibras nervosas paralelas e o padrão total de impulsos transmitidos por todas essas fibras é designado como sinal. Assim, há sinais visuais, auditivos, sinestésicos a assim por diante. As informações não podem ser transmitidas na sua forma original, mas só como impulsos nervosos e, para isso, existem transdutores que convertem diversos tipos de estímulos em impulsos nervosos.

Informação, em termos do SNC, é uma série de várias coisas: conhecimento, fatos, valores quantitativos, intensidade de dor, intensidade de luz, temperatura. O grau de flexão de uma articulação, a memória armazenada no encéfalo, também são informações.