Os chips neurais e a natureza quântica da transmissão sináptica

No texto de Roberto Lent, publicado no livro “Cem Bilhões de Neurônios – Conceitos fundamentais de neurociência”, o autor disserta que a sinapse é a unidade processadora de sinais do sistema nervoso. Trata-se da estrutura microscópica de contato entre um neurônio e outra célula, atraves da qual se dá a transmissão de mensagens entre as duas. Ao serem transmitidas, as mensagens podem ser modificadas no processo de passagem de uma célula à outra, e é justamente nisso que reside a grande flexibilidade funcional do sistema nervoso.

Há dois tipos básicos de sinapses as químicas e as elétricas. As sinapses elétricas (chamadas junções comunicantes) são sincronizadores celulares. Com estrutura mais simples, transferem correntes iônicas e até mesmo pequenas moléculas entre células acopladas. A transmissão é rápida e de alta fidelidade; por isso as sinapses elétricas são sincronizadoras da atividade neuronal. Por outro lado, têm baixa capacidade de modulação.

O autor afirma que as sinapses químicas são verdadeiros Chips biologicos porque podem modificar as mensagens que transmitem de acordo com inúmeras circunstâncias. Sua estrutura é especializada no armazenamento de substâcias neurotransmissoras e neuromoduladoras que, liberadas no exíguo espaço entre a membrana pré e a membrana pós-sináptica, provocam, nesta última, alterações de potencial elétrico que poderão influenciar o disparo de potenciais de ação do neurônio pós-sináptico.

Uma sinapse isolada teria pouca utilidade, porque a capacidade de processamento de informação do sistema nervoso provem justamente da integração entre milhares de neurônios, e entre as milhares de sinapses existentes em cada neurónio. Todas elas interagem: os efeitos excitatórios e inibitórios de cada uma delas sobre o potencial da membrana do neurônio pós-sináptico somam-se algebricamente, e o resultado desta interação é que caracterizará a mensagem que emerge pelo axônio do segundo neurônio, em direção a outras células.

Segundo o autor, o trabalho da maioria dos neurotransmissores consiste na reconversão da mensagem química em mensagem elétrica. A quantidade de neurotransmissor liberado na fenda, proporcional à frequência de PAs (Potencial de Ação) que afluem ao terminal, determinará por sua vez um PPS (Potencial Pós-Sinaptico) cuja amplitude será proporcional à quantidade de moléculas que atingem os receptores. Segundo o autor é muito importante observar que proporcional é diferente de igual, e que, além disso, o coeficiente de proporcionalidade que relaciona a frequência de PAs à quantidade de neurotransmissor liberada não é necessariamente igual àquele que relaciona a quantidade de neurotransmissor que ativa a membrana pós-sináptica e a amplitude do PPS produzido no final da transmissão. Isso significa que a transmissão sináptica pode amplificar ou atenuar a mensagem original. Sendo assim, esta pode ser modificada, o que é uma caracteristica dos chips dos microcomputadores mas não dos seus fios e cabos de transmissão.

A visão da Sinápse

A visão da sinapse como um chip biológico, e não como um cabo de transmissão, surgiu cedo no estudo da transmissão sináptica, quando se verificou a dependência dos PPSs em relação à quantidade de neurotransmissor liberada. Ainda segundo Lent, logo se descobriu um fenômeno interessante: a natureza quântica da transmissão sináptica. A descoberta foi do fisiologista alemão Bernard Katz (1911-2003), ganhador do prêmio Nobel de fisiologia ou medicina em 1970. Katz registrava pequenos potenciais sinápticos na célula muscular, quando verificou que todos tinham amplitude múltipla de um valor unitário muito pequeno (menor que 1 mV), um verdadeiro quantum ^G. Sugeriu então que o potencial unitário (quântico) refletiria a quantidade de neurotransmissor contida em uma única vesícula sináptica, e que por isso os PPSs registrados nos experimentos eram sempre múltiplos inteiros dele. Posteriormente, verificou-se que uma vesícula de acetilcolina na sinapse neuromuscular contém milhares de moléculas desse neurotransmissor, e que essa quantidade de moléculas, quando administrada à sinapse experimentalmente, provocava um potencial de amplitude inferior a 1 mV.

Por outro lado, verificou-se também que um único PA na fibra nervosa provoca a liberação do conteúdo de cerca de 200 vesículas na sinapse neuromuscular, gerando um PPSE com amplitude de cerca de 50 m V. Esta característica da sinapse neuromuscular confere-lhe um alto “fator de segurança”, índice que indica alta probabilidade de sucesso na transmissão sináptica. É natural que seja assim, pois é necessário que o motoneurônio seja sempre capaz de ativar, sem falha, a célula muscular. Quando o fator de segurança da sinapse neuromuscular cai, como acontece, por exemplo, em uma doença autoimuneG chamada miastenia graveG, a transmissão sináptica falha, e os músculos respondem defeituosamente aos comandos do sistema nervoso.

Nas sinapses do SNC (sistema nervoso central) a situação é bem diferente: cada PA pode liberar o conteúdo de uma única vesícula, o que resulta em um PPS de apenas cerca de 0,1 mV de amplitude. Uma variação de potencial tão pequena, entretanto, não é suficiente por si só para provocar a gênese de um PA no neurônio pós-sináptico. Isso significa que o fator de segurança das sinapses centrais é frequentemente baixo. Conclui-se que as mensagens transmitidas no SNC devem envolver muitas sinapses sobre um mesmo neurônio, para que sejam convertidas em novas mensagens conduzidas por esse neurônio. A interação entre as muitas sinapses que incidem sobre um mesmo neurônio é a essência do desempenho do sistema nervoso como um sistema inteligente, e será objeto de futuros artigos.