Neuroanatomia Comparativa: um pequeno ‘tour’ pelo laboratório de pesquisa da neurocientistas de plantão.

Este é um post* bem fácil de escrever, pois todas as informações que preciso estão concentradas em um único local, o próprio site que me proponho a divulgar, o do Laboratório de Neuroanatomia Comparativa, do Instituto de Biociências, da UFRJ,  coordenado pela professora Suzana Herculano-Houzel, a neurocientista de plantão, grande e conhecida divulgadora científica de nosso país.

Suzana, juntamente com seus alunos e colaboradores, além do excelente trabalho de divulgação das neurociências, mantém uma produtiva linha de pesquisa científica na área de neuroanatomia comparativa, pesquisando principalmente o cérebro dos mamíferos, um campo essencial para a compreensão da evolução dos sistema nervoso dos animais.

[Figura retirada da página do laboratório e originalmente presente em Herculano-Houzel, 2012]

Entre as informações encontradas na página do laboratório e que chamam nossa atenção é a de que os cérebros, apenas entre os mamíferos, variam em até 100000 vezes em relação aos seus tamanhos, o que pode ser visualizado se pensarmos que este grupo de vertebrados inclui desde o menor musaranho até a gigantesca baleia azul. Esta simples mas impressionante constatação sugere uma importante questão aos biólogos evolutivos e comparativos:

 

Como tal diversidade de tamanhos cerebrias foi produzida ao longo da evolução?

O que por sua vez, suscita várias outras questões:

Há alguma regularidade em todas as espécies e de grupos taxonômicos mais amplos, compartilhadas independentemente da dimensão ou da espécie em particular?

Ou será que existem características que seriam específicas apenas de alguns grupos de mamíferos e quais seriam as regras de [auto]construção dos cérebros dos mamíferos?

Com um a resposta inicial, hoje, está bem estabelecido que existe claramente uma ordem subjacente por trás desta grande diversidade. Isso é facilmente demonstrável pelo fato dos cérebros dos mamíferos terem um córtex cerebral claramente identificável, um cerebelo em sua porção posterior, bulbos olfativos em sua porção anterior, além de um tronco cerebral em sua base que é contíguo medula espinhal. O principal tópico investigado no laboratório é a questão da escala na evolução do sistema nervoso, ou seja, das relações entre números de neurônios (e outras células nervosas) e tamanhos relativos de estruturas cerebrais e do corpo dos animais.

A maioria dessas pesquisas feitas no laboratório envolvendo análise quantitativa tem como base uma metodologia de contagem celular muito refinada e precisa, o fracionamento isotrópico, que permitiu, por exemplo, a estimação com muito mais confiança do número de neurônios nos cérebros dos seres humanos que antes imaginava-se estarem por volta dos 100 bilhões, mas hoje são estimados em cerca de 86 bilhões de células.

Algo semelhante ocorreu com as estimativas das células gliais, um outro tipo de célula dos sistema nervoso com papéis estruturais, suporte metabólico e imunológico, que antes acreditava-se existirem em números 10 vezes maiores do que o número de neurônios, mas que, de acordo, com a nova metologia desenvolvida por Suzana e Robert Lent existiram em um número equivalente ou apenas um pouco maior ou menor do que o de neurônios.

Apesar do laboratório não ser muito antigo, seus pesquisadores já estão envolvidos no re-exame de muitos pressupostos, bem disseminados mesmo entre os neurobiólogos comparativos, entrando fundo em questões muito interessantes e pertinentes.

Nem todos os cérebros são construídos da mesma maneira:

Tradicionalmente o tamanho do cérebro tem sido considerado um indicador do número de neurônios no cérebro nas diversas espécies, o que era defendido a partir da ideia que os diferentes cérebros de diferentes grupos de mamíferos seguiriam as mesmas regras de dimensionamento e escala (veja as revisões em Herculano-Houzel, 2011, 2011 e 2012). Porém, isso não pode mais ser defendido, já que comparações entre diversas ordens de mamíferos como as envolvendo a análise quantitativa de roedores (aqui, e aqui), primatas (aqui e aqui) e insetívoros. Estes estudos mostram que cada ordem segue suas próprias regras de dimensionamento neuronal, ou seja, cada um desses grupos tem sua relação particular entre o tamanho do cérebro e o número de neurônio, o que contrasta com as relações entre o tamanho cerebral e o número de outras células não-neuronais são compartilhadas por todas as ordens e estruturas cerebrais estudadas até momento.

Não somos tão especiais assim, mesmo no que diz respeito aos nossos cérebros.

Embora nossas capacidades cognitivas, culturais e tecnológicas sejam impressionantes (pelo menos para nós mesmos), nossos cérebros não destoam tanto do padrão mamífero e primata como muitos acreditam. Pelo menos em relação ao número de neurônios nossos cérebros não são lá especiais quando comparados a outros primatas. Mesmo em relação ao tamanho, desde que os grandes primatas hominoides não humanos sejam deixados de lado, nós também não somos primatas tão diferentes assim dos demais, o que leva a colocar algumas questões tradicionais sobre as relações entre cérebro e tamanho corporal de uma maneira um tanto diferente:

“A maneira usual de expressar esta comparação é afirmando que o cérebro humano é maior do que o esperado para o seu tamanho corporal. O raciocínio aqui é que, se os seres humanos são menores do que os grandes macacos, então nosso cérebro deve ser menor do que a deles. Mas o argumento pode ser o contrário: se os grandes símios são maiores do que os humanos, por que eles não têm cérebros maiores do que eles têm?”

Esta questão pode ser respondida por meio de outra linha de investigação leva à cabo pelo membros do Laboratório de Neuroanatomia Comparativa, da UFRJ:

O custo metabólico de ser humano: Cozinhando para que o alimento renda mais.

De acordo com Herculano-Houzel e Karina Fonseca-Azevedo, sua aluna de pós-graduação, os custos de manter um cérebro humano estariam por volta 500 kcal ao dia, o que envolveria cerca de 20 a 25 % do gasto energético total do copo. As duas pesquisadoras, entretanto, demonstraram que este custo energético não é extraordinário, mas é, de fato, a quantidade esperada de calorias necessárias para manter o número de neurônios no cérebro humano, tendo como base a constatação de que o custo metabólico de um cérebro é independentemente do tamanho desse cérebro, sendo, na verdade, uma função linear simples de seu número de neurônios com um custo médio de 6 kcal por cada bilhão de neurônios por dia. De acordo com as pesquisadoras, esta relação linear poderia explicar o paradoxo dos grandes símios da forma como o grupo propôs sua reformulação. Por que estes animais não evoluíram cérebros maiores? A resposta seria que sua dieta não é suficiente para pagar os custos energéticos de cérebros proporcionalmente maiores, como seria esperado.

Provavelmente, nossos antepassados enfrentaram o mesmo tipo de limitação metabólica, mas de acordo com as pesquisadoras, estas limitações devem ter sido vencidas, sugerem elas, pelo cozimento dos alimentos, o que teria liberado nossos ancestrais das restrições energéticas típicas dos primatas e permitindo a evolução do tamanho cerebral em nossa linhagem nos últimos 2 milhões de anos. Com mais calorias disponíveis obtidas como menos tempo de forrageio e esforço por dia, grandes cérebros que seriam originalmente inviáveis pelos seus custos podem ter passado a ser itens vantajosos, especialmente frente as demandas socioculturais e ecológicas as quais nossa linhagem estaria sujeira, sendo portanto favorecidas pela seleção natural positiva ao longo da evolução.

Grandes cérebros para corpos grandes?

Embora o tamanho do cérebro aumenta a uma taxa menor do que o tamanho do corpo, normalmente espécies de maior porte tendem a ter cérebros também maiores, geralmente seguindo funções de potência com expoentes variando entre 0,6 e 1,0, entre as espécies de diferentes ordens. Esta característica normalmente é tida como devida a uma exigência de corpos maiores por mais neurônios para controlá-los. Porém, mais uma vez, o grupo descobriu que embora grandes primatas tenham realmente mais neurônios em sua medula espinhal, a taxa pela qual estes neurônios aumentam em número é pequena, com expoente em torno de apenas 0,3. De modo semelhante, o número de número de neurônios motores faciais aumenta de maneira bem lenta em relação ao tamanho do corpo, com um expoente de apenas 0,2, tanto entre marsupiais como entre primatas. Além disso, no crocodilo, que é um animal que cresce por toda a sua vida, o aumento da massa corporal é acompanhado apenas uma pequena taxa de aumento da massa cerebral.

Estas descobertas, de acordo com o grupo de pesquisadores, em conjunto com os muito baixos números de neurônios localizados na medula espinhal e no tronco-cerebral em comparação com o cérebro, sugerem que apesar de corpos maiores realmente tenderem a precisar de mais neurônios,esta pressão por mais neurônios é muio menos do que o imaginado e explica apenas uma pequena parte do aumento da massa cerebral e do número de neurônios entre as espécies. Esta constatação levou a proposta de que, no final das contas, a massa corporal não seria assim tão relevante e, portanto, não deveria ser usada como parâmetro de normalização em estudos comparativos.

Livrando-se de alguns dogmas:

Como já aludido, uma das características mais interessantes do trabalho do grupo de Suzana é que seus trabalhos tem ajudado a livrarmo-nos de alguns dogmas e refutar alguns mitos da neuroanatomia comparativa, alguns deles repetidos em livros e disseminados na imprensa, mas que não tinham base experimental:

1) O primeiro mito sobre o qual já comentamos é que o cérebro humano teria 100 bilhões de neurônios. Segundo o site do grupo os pesquisadores consideram que na verdade esta nunca foi uma estimativa precisa, mas apenas uma estimativa da ordem de grandeza do número de neurônios. Como já comentado o número estaria por volta dos 86 bilhões de neurônios;

2) Outro dogma também já comentado é as células gliais não existiram em um número 10X maior do que o de neurônios no cérebro humano, mas, no máximo, uma célula da glia para cada neurônio em todo o cérebro;

3) A porcentagem de neurônios no córtex cerebral que estão conectados através da substância branca (antes tida como constante entre as espécies), na verdade, diminui ente as espécies de primatas com o aumento do tamanho do cérebro. Porém, essa porcentagem parece ser relativamente estável em roedores de tamanho cerebral maior;

4) A proporção de células da glia para neurónios não aumenta com o tamanho do cérebro, mas sim com a diminuição da densidade neuronal (e, assim, presumivelmente com o aumento do tamanho médio neuronal);

5) O número de neurônios no cortex de uma espécie não é uma simples função de sua área de superfície e o grau de girificação não é nem uma função do número de neurônios nem da área da superfície, dentro do córtex cerebral humano ou entre as espécies. Os pesquisadores propõem, em contraste, que o grau de dobramento cortical seria determinados pela substância branca, por meio de uma combinação de fatores envolvendo o número de fibras na substância branca subcortical, o calibre dessas fibras e a tensão ao longo dos axônios.

6) A noção tradicional de que a neurogênese teria seus fim por volta do nascimento, de modo que todos os neurônios encontrados no córtex adulto já estariam presentes ao nascimento, não se sustenta mais, já que se verificou-se neurogênese cortical maciça em ratos após o seu nascimento – e em todo o cérebro;

7) Antes a expansão cortical era equacionada com “a evolução do cérebro”, pressupondo que o tamanho relativo do córtex cerebral aumentaria enquanto o tamanho relativo do cerebelo permaneceria razoavelmente constante, mas essa expansão não é acompanhada por uma expansão do número relativo de neurônios corticais. Em vez disso, o córtex cerebral e o cerebelo ganham neurônios de maneira coordenada entre as várias espécies, incluindo os seres humanos, apesar do rápido aumento no tamanho do córtex cerebral.

Estes resultados e as linhas de pesquisa desenvolvidas no laboratório indicam uma característica importante das ciências. O avanço no conhecimento também depende da desmistificação e correção de equívocos e erros. Muitas vezes é preciso desconstruir para avançar no conhecimento em bases mais sólidas e mais críticas.

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Curtam a última palestra de Suzana sobre as regras de dimensionamento dos cérebros de primatas e como nós seres humanos nos inserimos nesta história, além de como mudanças em nossas estratégias dietárias podem ter permitido a evolução de nossos cérebros em nossos ancestrais, direto do TED:

O que há de tão especial sobre o cérebro humano? 

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*Este post foi baseado principalmente nos textos em inglês disponíveis na própria página do laboratório de neuroanatomia comparativa, além dos artigos publicados por Suzana, seus colaboradores e sua equipe de neurocientistas.

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Literatura Recomendada:

• Herculano-Houzel S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci. 2009;3:31. doi: 10.3389/neuro.09.031.2009.

• Azevedo FA, Carvalho LR, Grinberg LT, Farfel JM, Ferretti RE, Leite RE, Jacob Filho W, Lent R, Herculano-Houzel S. Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. J Comp Neurol. 2009 Apr 10;513(5):532-41. doi: 10.1002/cne.21974.

• Herculano-Houzel S. The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Jun 26;109 Suppl 1:10661-8. doi: 10.1073/pnas.1201895109.

• Herculano-Houzel S. Coordinated scaling of cortical and cerebellar numbers of neurons. Front Neuroanat. 2010;4:12. doi: 10.3389/fnana.2010.00012.

• Ventura-Antunes L, Mota B, Herculano-Houzel S. Different scaling of white matter volume, cortical connectivity, and gyrification across rodent and primate brains. Front Neuroanat. 2013;7:3. doi: 10.3389/fnana.2013.00003.

• Herculano-Houzel S, Lent R. Isotropic fractionator: a simple, rapid method for the quantification of total cell and neuron numbers in the brain. J Neurosci. 2005 Mar 9;25(10):2518-21. PubMed PMID: 15758160.

• Bandeira F, Lent R, Herculano-Houzel S. Changing numbers of neuronal and non-neuronal cells underlie postnatal brain growth in the rat. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 Aug 18;106(33):14108-13. doi: 10.1073/pnas.0804650106.

• Watson C, Provis J, Herculano-Houzel S. What determines motor neuron number? Slow scaling of facial motor neuron numbers with body mass in marsupials and primates. Anat Rec (Hoboken). 2012 Oct;295(10):1683-91. doi: 10.1002/ar.22547.

• Mota B, Herculano-Houzel S. How the cortex gets its folds: an inside-out, connectivity-driven model for the scaling of Mammalian cortical folding. Front Neuroanat. 2012;6:3. doi: 10.3389/fnana.2012.00003. eCollection 2012. PubMed PMID: 22347170; PubMed Central PMCID: PMC3270328.

• Herculano-Houzel S. Neuronal scaling rules for primate brains: the primate advantage. Prog Brain Res. 2012;195:325-40. doi: 10.1016/B978-0-444-53860-4.00015-5.

• Herculano-Houzel S, Kaas JH. Gorilla and orangutan brains conform to the primate cellular scaling rules: implications for human evolution. Brain Behav Evol. 2011;77(1):33-44. doi: 10.1159/000322729.

• Gabi M, Collins CE, Wong P, Torres LB, Kaas JH, Herculano-Houzel S. Cellular scaling rules for the brains of an extended number of primate species. Brain Behav Evol. 2010;76(1):32-44. doi: 10.1159/000319872.

• Herculano-Houzel S. Brains matter, bodies maybe not: the case for examining neuron numbers irrespective of body size. Ann N Y Acad Sci. 2011 Apr;1225:191-9. doi: 10.1111/j.1749-6632.2011.05976.x.

• Herculano-Houzel S, Mota B, Wong P, Kaas JH. Connectivity-driven white matter scaling and folding in primate cerebral cortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Nov 2;107(44):19008-13. doi: 10.1073/pnas.1012590107.

• Fonseca-Azevedo K, Herculano-Houzel S. Metabolic constraint imposes tradeoff between body size and number of brain neurons in human evolution. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Nov 6;109(45):18571-6. doi: 10.1073/pnas.1206390109.

• Herculano-Houzel S. Not all brains are made the same: new views on brain scaling in evolution. Brain Behav Evol. 2011;78(1):22-36. doi: 10.1159/000327318.

• Herculano-Houzel S. Scaling of brain metabolism with a fixed energy budget per neuron: implications for neuronal activity, plasticity and evolution. PLoS One. 2011 Mar 1;6(3):e17514. doi: 10.1371/journal.pone.0017514.

• Herculano-Houzel S, Ribeiro P, Campos L, Valotta da Silva A, Torres LB, Catania KC, Kaas JH. Updated neuronal scaling rules for the brains of Glires (rodents/lagomorphs). Brain Behav Evol. 2011;78(4):302-14. doi: 10.1159/000330825.

• Burish MJ, Peebles JK, Baldwin MK, Tavares L, Kaas JH, Herculano-Houzel S. Cellular scaling rules for primate spinal cords. Brain Behav Evol. 2010;76(1):45-59. doi: 10.1159/000319019.

• Herculano-Houzel S, Collins CE, Wong P, Kaas JH. Cellular scaling rules for primate brains. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007 Feb 27;104(9):3562-7.

• Sarko DK, Catania KC, Leitch DB, Kaas JH, Herculano-Houzel S. Cellular scaling rules of insectivore brains. Front Neuroanat. 2009;3:8. doi: 10.3389/neuro.05.008.2009.

• Collins CE, Leitch DB, Wong P, Kaas JH, Herculano-Houzel S. Faster scaling of visual neurons in cortical areas relative to subcortical structures in non-human primate brains. Brain Struct Funct. 2013 May;218(3):805-16. doi: 10.1007/s00429-012-0430-5.

• Herculano-Houzel S, Collins CE, Wong P, Kaas JH, Lent R. The basic nonuniformity of the cerebral cortex. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Aug 26;105(34):12593-8. doi: 10.1073/pnas.0805417105.

• Herculano-Houzel S, Mota B, Lent R. Cellular scaling rules for rodent brains. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Aug 8;103(32):12138-43.

• Herculano-Houzel S. Encephalization, neuronal excess, and neuronal index in rodents. Anat Rec (Hoboken). 2007 Oct;290(10):1280-7. PubMed PMID: 17847061.

• Ngwenya A, Patzke N, Spocter MA, Kruger JL, Dell LA, Chawana R, Mazengenya P, Billings BK, Olaleye O, Herculano-Houzel S, Manger PR. The continuously growing central nervous system of the Nile crocodile (Crocodylus niloticus). Anat Rec (Hoboken). 2013 Oct;296(10):1489-500. doi: 10.1002/ar.22752.

• Herculano-Houzel S, Watson C, Paxinos G. Distribution of neurons in functional areas of the mouse cerebral cortex reveals quantitatively different cortical zones. Front Neuroanat. 2013 Oct 21;7:35. doi: 10.3389/fnana.2013.00035.

Créditos das Figuras:

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