O termo ruído costuma ser associado a algo indesejável, no entanto, um estudo de pesquisadores do Brasil e dos Estados Unidos mostra que, no sistema nervoso, eles são essenciais na multiplicidade de comportamentos e mesmo para a criatividade dos seres humanos. Na pesquisa, que teve a participação do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, experimentos com animais apontaram que o ruído – a oscilação do potencial de transmissão de sinais elétricos dos neurônios – pode servir como indicador da estabilidade de circuitos responsáveis por movimentos essenciais como o andar, a alimentação e a respiração, com autonomia em relação ao cérebro.

Futuramente, os resultados do estudo, apresentado em artigo da revista científica Chaos, Solitons and Fractals, poderão contribuir para desenvolver diagnósticos e terapias relacionadas ao sistema nervoso. “Nosso objetivo foi estudar de modo quantitativo a estabilidade de circuitos neurais biológicos chamados Centros Geradores de Padrões, ou CPGs, do inglês Central Pattern Generators”, afirma ao Jornal da USP o professor Reynaldo Daniel Pinto, do IFSC, que participou do estudo. “Fizemos isso alterando a conectividade, ou seja, as sinapses entre os neurônios do circuito.”

“Esses circuitos existem em praticamente todos os animais, englobando vertebrados e invertebrados, e são especializados na produção automática de ritmos essenciais”, destaca o pesquisador. “Eles geram comportamentos repetitivos sem a necessidade de pensamento consciente, como andar, correr, nadar, respirar, mastigar e mover a comida pelo tubo digestivo, permitindo que o cérebro mantenha o foco em outras tarefas.”

Os neurônios dos CPGs organizam-se em redes locais interconectadas por sinapses elétricas, conexões físicas bidirecionais entre as membranas celulares que permitem a passagem de corrente elétrica como se fossem resistores, e sinapses químicas, unidirecionais e mediadas por neurotransmissores. “A descoberta dos CPGs implicou a quebra do dogma do ‘controle centralizado’, segundo o qual o cérebro precisaria comandar cada movimento do corpo”, diz Reynaldo Pinto. “Hoje sabemos que o sistema nervoso funciona de forma hierárquica; existe uma autonomia periférica na qual o cérebro pode apenas enviar um sinal simples de ‘ligar/desligar’ ou ‘vá mais rápido/devagar’, delegando a execução detalhada aos CPGs locais.”

“Um mesmo circuito é capaz de produzir ritmos robustos e, ao mesmo tempo, flexíveis. Isso ocorre, por exemplo, nos CPGs da medula espinhal dos animais que comandam a alternância das patas e a mudança de marcha, passo, trote, galope, sem intervenção cerebral constante”, enfatiza o professor. “Existem também circuitos medulares autônomos que nos fazem levantar o pé quando pisamos descalços sobre um objeto pontiagudo, ou que retraem nossa mão quando tocamos em algo muito quente, antes mesmo dessas informações chegarem ao cérebro.”

O entendimento desses mecanismos dos CPGs periféricos ajudou a decifrar comportamentos do sistema nervoso central, por exemplo, as ondas alfa e gama, associadas ao sono, ao relaxamento, à atenção e à memória, destaca o pesquisador do IFSC. “Além disso, descobriu-se que, mesmo com um número reduzido de neurônios, da ordem de uma dezena, os CPGs funcionam como sistemas complexos, em que o comportamento é uma propriedade emergente do circuito como um todo, refletindo o mesmo princípio de funcionamento do próprio cérebro”, ressalta Reynaldo Pinto.

O professor explica que, simplificadamente, o potencial elétrico médio de um neurônio pode ser entendido como a diferença líquida de cargas elétricas entre o interior e o exterior de sua membrana celular, em um determinado instante. “A dinâmica desse saldo de cargas elétricas é produzida pela abertura e fechamento de canais iônicos, estruturas muito pequenas que atravessam a membrana celular conectando seu interior ao exterior”, relata. 

“São esses canais que permitem a passagem seletiva de cargas elétricas, ou seja, de íons, através da membrana celular. Devido ao tamanho reduzido dos íons e dos canais, toda essa dinâmica de movimentação de cargas é sujeita à agitação térmica microscópica, que é conhecida como movimento browniano”, diz.

Flutuações locais podem levar à abertura e fechamento de outros canais nas proximidades, e se propagar pela membrana. “A integração dessas flutuações locais por todo o neurônio leva a pequenas oscilações do potencial de membrana global praticamente impossíveis de prever, mas que podem, em determinadas situações, alterar a dinâmica elétrica do neurônio e influir no comportamento do circuito como um todo”, enfatiza.

“Entretanto, apesar do nome ruído ser corriqueiramente associado a coisas indesejáveis, no sistema nervoso pode ser que ocorra exatamente o contrário: podemos especular que é esse ruído intrínseco, atuando em sistemas complexos, que leva à variabilidade extremamente rica de comportamentos do cérebro e até mesmo à criatividade humana.”

Os pesquisadores alteraram em laboratório a conectividade de um CPG do gânglio estomatogástrico de crustáceos, responsável pela mastigação e filtração de alimento no estômago, usando um método conhecido como Dynamic Clamp, que consiste em interagir modelos computacionais em tempo real com circuitos neurais biológicos. “Introduzimos eletrodos em um par de neurônios mutuamente inibidores e, através desses eletrodos, pudemos medir os potenciais de membrana e introduzir correntes elétricas nos neurônios”, relata Pinto. “Estes eletrodos foram ligados a um computador onde modelos matemáticos calculavam a corrente que uma das sinapses entre eles iria introduzir no outro, com base nos valores medidos dos potenciais de membrana em tempo real”.

“A resposta de um neurônio depende da soma de todas as correntes atuantes, então, através da manipulação da intensidade e do sinal dessa corrente calculada, antes de introduzi-la no neurônio biológico através do eletrodo, podemos enfraquecer, anular ou até mesmo inverter uma sinapse real, transformando-a de inibidora em excitatória”, descreve o professor do IFSC.

“Como essas alterações sinápticas afetam o ritmo do circuito, procuramos caracterizar quantitativamente a sua estabilidade, verificando o que acontece com quantidades chamadas invariantes dinâmicos, que são as relações entre características do padrão importantes para o comportamento motor, por exemplo: a duração do período de disparo de um dos neurônios em relação à duração do ciclo completo”.

O estudo mostrou que a variabilidade necessária para computar a estabilidade dos invariantes dinâmicos vem justamente das pequenas flutuações ciclo a ciclo produzidas pelo ruído intrínseco. “Em nossos experimentos, manipulamos uma das sinapses inibidoras mais intensas e importantes do CPG, chegando ao seu cancelamento e até mesmo uma pequena inversão. Mesmo nesses casos extremos, ele continuou produzindo os invariantes dinâmicos de modo estável”, afirma Pinto. 

“Concluímos que o funcionamento do CPG é robusto mesmo com alterações profundas em sua conectividade, evidenciando a presença de redundâncias capazes de manter a estabilidade do funcionamento do circuito em condições naturais de ruído, mesmo em situações extremas”.

Segundo o professor, uma das contribuições do trabalho para os estudos sobre o cérebro e o sistema nervoso é a demonstração do uso do ruído intrínseco como ferramenta de análise quantitativa, especialmente em sistemas que apresentam comportamentos fortemente oscilatórios. “Mostramos que o ruído pode ser aproveitado para extrair informações precisas sobre o nível de estabilidade do sistema”, destaca.

“No caso dos CPGs, a periodicidade e a estabilidade do ritmo são desejáveis; entretanto, em outros circuitos nervosos, um comportamento similar que sequestre macroscopicamente a dinâmica da rede pode estar associado à patologias”, observa. “Uma especulação de aplicação possível seria estudar análises similares para verificar a estabilidade das oscilações produzidas por focos epileptogênicos, visando produzir sistemas de neuromodulação em malha fechada, chamados de closed-loop stimulation, capazes de romper com essa estabilidade, ou o desenvolvimento de intervenções farmacológicas que desestabilizem o foco sem precisar destruí-lo ou removê-lo fisicamente”.