Rodrigo Oliveira
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Modulação sináptica: entendendo os mecanismos por trás do controle sináptico.
A sinapse é a região de contato entre os neurônios onde ocorre o processamento, a modulação e a transmissão da informação entre neurônios. A informação é passada através da liberação de neurotransmissores de um axônio terminal de um neurônio (neurônio pré-sináptico) para o dendrito de outro neurônio (neurônio pós-sináptico). Esse processo se dá pela chegada do potencial de ação nos no axônio terminal, que gera a abertura dos canais de Ca++ que se ligarão com vesículas de neurotransmissores presentes no citoplasma das células pós sináptica. Após essa ligação, as vesículas liberam os neurotransmissores na fenda sináptica que irão se ligar em receptores presentes na membrana pós sináptica (Imagem abaixo) desencadeando uma série de processos que serão muito importantes sabermos antes de entender como ocorre a modulação sináptica.
As respostas pós-sinápticas podem ser classificadas em rápidas ou lentas. As respostas rápidas acontecem quando o neurotransmissor liberado na fenda sináptica se liga a canais iônicos que abrem e permitem a passagem de íons para o interior da célula, gerando uma resposta rápida. Se esse processo gerar uma despolarização, é chamado de potencial pós-sináptico excitatório (PEPS), e se gerar uma hiperpolarização que dificulte a criação de um potencial de ação, é chamado de potencial pós-sináptico inibitório (PIPS). A despolarização consiste no influxo de cátions (Na++). Dessa forma, a entrada de carga positiva altera a polaridade da membrana, que é negativo, elevando ao potencial. Se a despolarização gerada pela sinapse excitatória for maior que o limiar máximo será gerado um potencial de ação. Já as respostas pós-sinápticas lentas, os neurotransmissores se ligam a uma proteína G que será responsável por induzir uma resposta de segundo mensageiro que será responsável pela abertura e fechamento dos canais iônicos presentes na membrana dessa célula de forma indireta e mais lenta, e consequentemente respostas excitatórias ou inibitórias. Além disso, esse processo também pode gerar uma ativação de cascatas proteicas, criando respostas intracelulares coordenadas (Imagem abaixo).
A modulação nos processos de condução de estímulos entre neurônios pode ocorrer através do aumento ou diminuição da atividade sináptica, caracterizando uma atividade excitatória ou de inibição dependendo dos estímulos que chegam naquela célula. A resposta modulatória de um neurônio pós sináptico se dá pela soma de sinais que ele recebe de todos os neurônios pré-sinápticos, por exemplo, se a soma de todos os estímulos que chegam em um neurônio for excitatório e o potenciais graduados gerados forem o suficiente para atingir o limiar da zona de disparo, a despolarização acontece e o potencial de ação é gerado (Imagem abaixo A) estimulando a liberação de neurotransmissor por esse neurônio. Já se alguns dos sinais que chegam em um neurônio forem inibitórios, isso faz com que sejam gerados potenciais graduados mais fracos, não sendo suficiente para gerar um potencial de ação (Imagem abaixo B) . O que define se um estímulo recebido seja inibitório e excitatório é o tipo de neurotransmissor liberado na fenda sináptica pelo neurônio pré-sináptico. As principais células envolvidas nesse processo de modulação são os interneurônios.
A variabilidade nas respostas a estímulos excitatórios se dá pela disponibilidade desses neurotransmissores na fenda sináptica. Essa liberação é controlada pela quantidade de potenciais de ação que chegam até o terminal axonal. Logo quanto maior a frequência de disparo de um neurônio, mais neurotransmissores excitatórios serão liberados, e maior será o estímulo e a intensidade de potenciais graduados gerados nos neurônios pós-sináptico. Nesse caso, os neurotransmissores abrem canais iônicos que permitem a entrada e saída de íons (como a entrada de sódio por exemplo), responsáveis por gerar uma onda de despolarização elétrica que se espalha por todo citoplasma da célula (fluxo de corrente local) de forma variável dependendo do estímulo recebido. Esse fluxo de corrente local vai perdendo intensidade por vazamento de corrente e resistência citoplasmática até chegar a zona de disparo, onde após atingir o limiar de disparo, no caso de estímulos excitatórios, gerará uma despolarização responsável por criar o potencial de ação axonal que não varia sua intensidade com a distância percorrida. Todos esses mecanismos também estão envolvidos na variabilidade das respostas a estímulos excitatórios.
Em relação ao potencial de ação, a direção do estímulo é unidirecional (do detrito para o axônio) pela existência de um período refratário relativo, equivalente ao processo de hiperpolarização da membrana logo após a etapa de despolarização, impossibilitando a acontecimento de um novo potencial de ação logo após o primeiro, fazendo com que o estímulo siga apenas em uma direção. Já em relação a velocidade desse estímulo, varia de acordo com dois fatores: tamanho do neurônio e presença da bainha de mielina. Quanto maior o diâmetro de um axônio, menor será a resistência de fluxo de íons, ocorrendo um menor vazamento desses íons pela membrana, e assim, aumentando a velocidade de um potencial de ação. A presença da bainha lipídica isolante de mielina que envolve os axônios impede o vazamento desses íons pela membrana, além de limitar o acontecimento da despolarização da membrana nas áreas sem mielina (Nós de Ranvier) (figura abaixo), favorecendo o evento de chamado de "condução saltatória", aumentando ainda mais a velocidade de condução do estímulo.
Sabendo de tudo isso, será que podemos realizar algum tipo de modulação sináptica artificialmente? Isso parece ter sido possível por um grupo de cientistas de Stanford (EUA) e do Instituto Italiano de Tecnologia (Itália), que desenvolveram um material sintético inorgânico que permite a interação de sinapses artificiais com neurônios orgânicos vivos. Este processo neuromórfico imita a comunicação biológica humana principalmente natural no cérebro. A ideia do grupo surgiu a partir do uso de redes neurais artificiais (RNAs) , uma espécie de inteligência artificial, em sistemas biológicos.
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Referências:
Silverthorn, Dee Unglaub. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. Artmed editora, 2010.
Gerard Jerry Tortora, Bryan Derrickson (2010). Princípios de anatomia e fisiologia 12ª ed. Porto Alegre: Artmed. 1256 páginas. ISBN 8527716534
Roberto Lente. Cem bilhões de neurônios. Conceitos Fundamentais de neurociência. Kandel. Princípios da Neurociência
Eric R. Kandel, James H. Schwartz, Thomas M. Jessell, Steven A. Siegelbaum, A. J. Hudspeth. Princípios de Neurociências. 5 edição.
Keene, S. T., Lubrano, C., Kazemzadeh, S., Melianas, A., Tuchman, Y., Polino, G., & Santoro, F. (2020). A biohybrid synapse with neurotransmitter-mediated plasticity. Nature Materials, 1-5.
Figuras adaptadas de: Silverthorn, Dee Unglaub. Fisiologia humana: uma abordagem integrada. Artmed editora, 2010.
A complexidade e os avanços da neurociência
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