No adulto humano médio, o cérebro representa cerca de 2% do peso corporal. No entanto, apesar da sua dimensão relativamente pequena, consome aproximadamente 20% do oxigénio e, consequentemente, das calorias utilizadas pelo organismo. Este elevado nível de metabolismo mantém-se notavelmente estável, mesmo perante grandes variações na atividade mental e motora.

Apesar de estes dados serem bem conhecidos, ainda não está totalmente esclarecido como é distribuído esse elevado consumo energético pelos diversos processos funcionais que ocorrem nos neurónios e nas células gliais.

O que são células Gliais?

São células do sistema nervoso que não são neurónios, mas que desempenham funções essenciais de suporte, proteção e regulação da atividade neuronal, e contribuem significativamente para o elevado consumo energético do cérebro).

A compreensão desta distribuição tornou-se particularmente importante com o crescente recurso a técnicas modernas de imagiologia cerebral, como a tomografia por emissão de positrões (PET) e a ressonância magnética funcional (fMRI). Estas técnicas permitem estudar o funcionamento do cérebro em tempo real, mas baseiam-se em princípios físicos diferentes!

Como funciona a Tomografia por emissão de positrões?

• primeiro injeta-se no sangue uma substância marcada radioativamente (por exemplo, glicose marcada com flúor-18).

• As células mais ativas consomem mais dessa substância.

• O isótopo emite positrões, que ao colidirem com eletrões produzem radiação gama.

• O scanner deteta essa radiação e constrói uma imagem.

E o que mede?

• Consumo de glicose

• Consumo de oxigénio

• Fluxo sanguíneo cerebral

• Atividade metabólica associada a funções cognitivas

Esta técnica, uma das limitações que tem é a exposição a radiações e resolução temporal relativamente baixa.

A razão da resolução temporal relativamente baixa é que (os neurónios comunicam em: milissegundos (1/1000 de segundo) mas esta técnica mede alterações metabólicas que demoram dezenas de segundos a minutos. Portanto, esta técnica não consegue acompanhar eventos cerebrais muito rápidos.

Já a ressonância magnética funcional (fMRI) É uma técnica baseada na ressonância magnética que mede alterações no fluxo sanguíneo cerebral associadas à atividade neuronal.

Como funciona?

Quando uma região do cérebro se torna ativa, aumenta o fluxo de sangue nessa área. O sangue oxigenado e desoxigenado têm propriedades magnéticas ligeiramente diferentes. A fMRI deteta essas diferenças através do chamado sinal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent).

 O que mede?

• Alterações no nível de oxigenação do sangue

• Mudanças indiretas da atividade neuronal

Vantagens?

• Não usa radiação.

• Boa resolução espacial.

• Muito utilizada em investigação cognitiva.

Limitação?

• Mede indiretamente a atividade neuronal.

• Sensível ao movimento.

Nesse sentido estas técnicas diferem no seguinte aspecto: A PET é mais comum em contexto clínico oncológico e neurológico e a fmRI muito usada em investigação cognitiva.

Estas técnicas — bem como outras relacionadas, como a SPECT e métodos de imagiologia ótica — baseiam-se em medições do metabolismo e da circulação cerebral para inferir a atividade funcional do cérebro ao nível celular, tanto em situações de saúde como de doença.

O artigo refere ainda dois estudos publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences que combinaram espectroscopia por ressonância magnética (MRS) com registos extracelulares da atividade neuronal no córtex cerebral de ratos anestesiados. Estes trabalhos demonstraram que o aumento do consumo de oxigénio provocado por estimulação sensorial é proporcional ao aumento do fluxo de glutamato e à frequência de disparo neuronal.

(O glutamato é o principal neurotransmissor excitatório, é uma molécula usada pelo cérebro para transmitir sinais entre neurónios e é o neurotransmissor mais abundante no sistema nervoso central humano.)

Além disso, verificou-se que os valores máximos de consumo de oxigénio e de atividade neuronal atingidos durante a estimulação eram semelhantes, independentemente do nível de anestesia inicial. Isto sugere que existe um nível global de atividade cerebral necessário para que determinadas funções ocorram — mesmo quando a atividade de base é artificialmente reduzida.

Foram ainda abordados dois conceitos fundamentais: atividade basal (ou contínua) e ativações transitórias.

A atividade basal corresponde ao elevado metabolismo constante do cérebro, que resulta sobretudo da oxidação da glicose para produção de ATP.

ATP (adenosina trifosfato) é a molécula que armazena e transporta energia dentro da célula. Quando um neurónio precisa disparar um potencial de ação, abrir canais iónicos ou reciclar neurotransmissores como o glutamato, ele usa ATP. No entanto sem ATP, os neurónios não conseguem transmitir sinais.

Estudos indicam que cerca de 80% da energia cerebral está associada à sinalização glutamatérgica, nomeadamente à propagação de potenciais de ação e à restauração dos gradientes iónicos após a transmissão sináptica. Em contraste, a manutenção do potencial de repouso consome menos de 15% da energia total. Assim, grande parte do “custo fixo” energético do cérebro parece estar relacionada com processos sinápticos contínuos.

No entanto, outras investigações sugerem que esta atividade contínua, desempenha um papel crucial na formação de ligações funcionais entre circuitos neuronais. Um equilíbrio constante entre excitação e inibição parece ser essencial para garantir a capacidade de resposta dos neurónios a estímulos e para sustentar a conectividade funcional.

Por fim, o artigo propõe que o elevado metabolismo basal do cérebro não serve apenas para manter os neurónios prontos a responder a estímulos, mas pode também sustentar formas organizadas e persistentes de funcionalidade cerebral, mesmo em estado de repouso. Assim, as técnicas modernas de neuroimagem não apenas confirmam relações conhecidas entre atividade neuronal, fluxo sanguíneo e metabolismo, como também estão a abrir novas perspetivas sobre a forma como os vastos recursos energéticos do cérebro suportam a atividade mental humana.

Link do Artigo Científico:

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.172399499

Authors: Marcus E. Raichle and Debra A. Gusnard