O cérebro humano é considerado o objeto mais complexo do universo conhecido. E com um bom motivo: ele tem cerca de 86 bilhões de neurônios e várias centenas de milhares de quilômetros de fibras de axônio conectando-os.
Não é novidade que o processo de dobramento do cérebro que resulta nas saliências e sulcos característicos do cérebro também é altamente complexo. Apesar de décadas de especulação e pesquisa, o mecanismo subjacente por trás desse processo continua mal compreendido. Como pesquisadores da biomecânica e da ciência da computação, passamos vários anos estudando a mecânica do dobramento do cérebro e as formas de visualizar e mapear o cérebro, respectivamente.
Descobrir essa complexidade pode ajudar os pesquisadores a diagnosticar e tratar melhor os distúrbios do desenvolvimento do cérebro, como lisencefalia, ou cérebro liso, e epilepsia. Como muitos distúrbios neurológicos surgem nos primeiros estágios de desenvolvimento, compreender como o dobramento do cérebro funciona pode fornecer informações úteis sobre a função cerebral normal e patológica.
A mecânica do dobramento do cérebro
O cérebro é feito de duas camadas. A camada externa, chamada de córtex cerebral, é feita de matéria cinzenta dobrada composta de pequenos vasos sanguíneos e corpos celulares esféricos de bilhões de neurônios. A camada interna contém matéria branca, consistindo principalmente nas caudas alongadas dos neurônios, chamadas de axônios mielinizados.
Nos últimos anos, pesquisadores mostraram que a mecânica, ou as forças que os objetos exercem uns sobre os outros, desempenham um papel importante no crescimento e no dobramento do cérebro.
Entre as várias hipóteses que os cientistas propuseram para explicar como o dobramento do cérebro funciona, o crescimento tangencial diferencial é o mais comumente aceito porque é bem apoiado por observações experimentais. Essa teoria pressupõe que a camada externa do cérebro cresce a uma taxa mais rápida do que a camada interna, devido à forma como os neurônios se proliferam e migram durante o desenvolvimento. Essa incompatibilidade nas taxas de crescimento coloca quantidades crescentes de forças compressivas na camada externa, levando à instabilidade geral da estrutura crescente do cérebro. Dobrar essas camadas, no entanto, libera essa instabilidade.
Para explicar melhor essa teoria, Jalil fez um modelo mecânico do cérebro que atribuía uma taxa de crescimento maior à camada externa do que à interna. Como esperado, essa incompatibilidade nas taxas de crescimento fez com que a camada interna bloqueasse a camada externa de se espalhar. Como a camada externa não pode se expandir mais, por conta desse bloqueio, ela precisa se dobrar e entortar dentro da camada interna para alcançar uma estrutura mais estável.
Outro estudo usando um modelo de cérebro de hidrogel impresso em 3D também mostrou que uma incompatibilidade nas taxas de crescimento resulta em dobramento.
Essa flambagem ocorre porque a dobra maximiza a relação entre a superfície e o volume do cérebro, ou a quantidade de área de superfície que o cérebro possui em relação ao seu tamanho. Uma proporção maior de superfície para volume permite que o cérebro empacote mais neurônios em um determinado espaço, enquanto diminui a distância relativa entre eles.
A equipe de pesquisa de Jalil também descobriu que outros fatores mecânicos afetam a eventual forma que um cérebro em desenvolvimento assumirá, incluindo a espessura da camada externa inicial do cérebro e a rigidez das duas camadas em relação uma à outra.
Mais recentemente, nossos estudos de simulação mostraram que os axônios, a parte do neurônio que o ajuda a transmitir sinais elétricos, desempenham um papel na regulação do processo de dobramento do cérebro. Nosso modelo mostrou que as cristas cerebrais se formaram em áreas com um grande número de axônios, enquanto os vales se formaram em áreas de baixa densidade de axônios. Confirmamos essas descobertas com neuroimagem e amostras de tecido de cérebros humanos reais. Isso reforça a importância que a densidade do axônio desempenha no desenvolvimento do cérebro e pode falar sobre as origens de doenças como autismo e esquizofrenia, que têm conectividade e estrutura cerebral irregular.
Estamos agora no processo de desenvolver modelos mais sofisticados do cérebro com base em neuroimagem de cérebros reais que fornecerão uma simulação ainda mais detalhada do desenvolvimento do cérebro.
A mecânica dos distúrbios cerebrais
Nossos modelos cerebrais fornecem uma explicação potencial para o motivo pelo qual os cérebros podem se formar de maneira anormal durante o desenvolvimento, destacando o importante papel que a estrutura do cérebro desempenha em seu funcionamento adequado.
Cérebros com padrões de dobramento anormais podem resultar em condições devastadoras. Por exemplo, um modelo de cérebro com uma camada externa mais espessa do que o normal forma menos cristas e vales maiores do que um com espessura normal. No extremo, isso pode resultar em uma condição chamada lisencefalia, ou cérebro liso, que tem uma ausência completa de dobras cerebrais. Muitas crianças com essa condição têm desenvolvimento severamente atrofiado e morrem antes dos 10 anos.
Por outro lado, a polimicrogiria tem uma camada externa mais fina que o normal e resulta em um excesso de dobramento. Essa condição também foi replicada por meio de modelagem mecânica. Pessoas com essa condição podem ter problemas neurológicos leves a graves, incluindo convulsões, paralisia e atrasos no desenvolvimento.
Os cientistas também identificaram padrões de dobramento anormais em distúrbios cerebrais, como esquizofrenia e epilepsia.
Próximas etapas na mecânica do cérebro
Compreender os mecanismos por trás do dobramento do cérebro e conectividade fornecerá aos pesquisadores a base de conhecimento para descobrir seu papel nos distúrbios do desenvolvimento do cérebro. A longo prazo, esclarecer a conexão entre a estrutura e a função do cérebro pode levar a ferramentas de diagnóstico precoce para doenças cerebrais.
No futuro, a inteligência artificial pode ser capaz de fornecer ainda mais informações sobre o crescimento e as dobras normais do cérebro humano. Mas mesmo com todos esses avanços na neurociência, pesquisadores como nós têm um trabalho difícil, enquanto continuamos tentando decifrar o mistério da estrutura conhecida mais complexa do universo.
Fonte: The Conversation/ Mir Jalil Razavi e Weiying Dai
Tradução: Redação Ambientebrasil / Maria Beatriz Ayello Leite
Para ler a reportagem original em inglês acesse: https://theconversation.com/brain-wrinkles-and-folds-matter-researchers-are-studying-the-mechanics-of-how-they-form-170194
