A Energia Escura do Cérebro

Regiões cerebrais ativadas quando a mente se dispersa podem permitir a compreensão de distúrbios neurológicos e mesmo da consciência. Analogia com a energia escura da cosmologia facilita o entendimento do processo.

Conceitos-chave

- Neurocientistas pensaram por muito tempo que os circuitos do cérebro são desligados quando a pes­soa está em repouso. 
- Experimentos com capta­ção de imagens, no entan­to, demonstraram que há um nível persistente de atividade de fundo. 
- Esse modo padrão, como é chamado, pode ser crítico no planejamento de ações futuras. 
- Ligações malfeitas de re­giões do cérebro envolvidas no modo padrão podem levar a perturbações que vão da doença de Alzhei­mer à esquizofrenia.

Imagine que você esteja quase adormecendo numa espreguiçadeira, com uma revista no colo. De re­pente, uma mosca pousa em seu braço. Você apa­nha a revista e com ela esmaga o inseto. O que aconteceu em seu cérebro depois que a mosca assentou? E o que aconteceu pouco antes? Muitos neurocientistas supõem que boa parte da atividade neural no cérebro em situação de repouso se equipare ao estado contro­lado, sonolento, da pessoa. Conforme essa hipótese, a atividade no cérebro em repouso representa nada mais que ruído ocasional, semelhante ao padrão de "chuviscos" na tela de TV quando uma estação não está no ar. Então, quando a mosca pousa no seu ante­braço, o cérebro se concentra na tarefa consciente de esmagá-Ia. No entanto, análise recente produzida por tecnologias de neuroirnagem revelou algo notável: uma grande quantidade de atividade significativa ocorre no cérebro quando a pessoa está sentada, sem fazer absolutamente nada.

Acontece que, enquanto sua mente está em descan­so - quando você sonha acordado em uma cadeira, está adormecido na cama ou anestesiado para cirur­gia -, áreas dispersas do cérebro "tagarelam" entre si. E a energia consurnida por essa troca de mensagens sempre ativa é cerca de 20 vezes a usada pelo cérebro quando responde conscientemente a uma mosca im­portuna ou a outro estímulo externo. Na verdade, fa­zemos a maioria das coisas conscientemente, tanto sentar para jantar como levantar-se para um discurso, e isso assinala um distanciamento da atividade básica do modo padrão default do cérebro.

Fator fundamental para a compreensão do funcio­namento padrão do cérebro foi a descoberta de um sistema cerebral até então não reconhecido que rece­beu o nome de "rede do modo padrão" desse órgão (DMN, sigla da expressão em inglês default mode net­work). O papel exato da DMN na organização da ati­vidade neural ainda está em estudo, mas se acredita que orquestre a maneira pela qual o cérebro organiza memórias e vários sistemas que precisam de prepara­ção para eventos futuros: o sistema motor do cérebro tem de estar acelerado e pronto quando você sente có­cegas devido à presença de uma mosca em seu braço. Provavelmente, cabe à DMN um papel crítico na sin­cronização de todas as partes do cérebro - de modo que, como corredores numa competição de atletismo, elas estejam no modo adequado de "preparadas"
quando é disparado o tiro de partida. Se a DMN de fato prepara o cérebro para a atividade consciente, in­vestigações de seu comportamento deverão levar a pistas sobre a natureza da experiência consciente. Além disso, neurocientistas têm razões para suspei­tar que interrupções do funcionamento da DMN se­jam a base de erros mentais simples e até uma gama de complexas perturbações cerebrais, da doença de Alzheimer à depressão.

• Pesquisas sobre a Energia Escura

A ideia de que o cérebro está constantemente ocupa­do não é nova. Um dos primeiros proponentes dessa hipótese foi o psiquiatra alemão Hans Berger, criador do eletroencefalograma, que grava a atividade elétri­ca no cérebro por meio de um conjunto de linhas on­dulatórias sobre um gráfico (diagrama).

Em ensaios seminais sobre suas descobertas, publi­cados em 1929, Berger deduziu, a partir das incessan­tes oscilações elétricas detectadas pelo aparelho, que "temos de supor que o sistema nervoso central está sempre - e não só durante o estado de vigília - num estado de considerável atividade".

Mas as ideias dele a respeito de como o cérebro fun­ciona foram amplamente ignoradas, mesmo depois que métodos de captação de imagem não invasivos se tornaram rotina em laboratórios de neurociência. Em primeiro lugar; em 1970, veio a tomografia por emis­são de pósitrons (PET, de positron-emission tomogra­phy), que mede o metabolismo da glicose, fluxo san­guíneo e absorção de oxigênio como substituto para a extensão da atividade neuronal, seguida em 1992 pela captação de imagem por ressonância magnética funcional (fMRI, de functional magnectic resonance imaging), que mede a oxigenação do cérebro com o mesmo propósito. Essas tecnologias são mais que ca­pazes de analisar a atividade cerebral, focada ou não, mas a maioria dos estudos levou inadvertidamente à impressão de que, na maior parte, as áreas do cérebro permanecem tranquilas até que sejam requisitadas a desempenhar alguma tarefa específica.

Como é de esperar, neurocientistas que fazem ex­perimentos com captação de imagens tentam esmiu­çar com precisão as áreas do cérebro que permitem o aparecimento de determinada percepção ou conduta. As melhores concepções de estudo para definir essas regiões simplesmente comparam a atividade cerebral durante duas condições relacionadas. Se os pesquisa­dores quisessem ver que áreas do cérebro são impor­tantes durante a leitura de palavras em voz alta (a condição de "teste"), em oposição a observar as mes­mas palavras silenciosamente (a condição de "con­trole"), por exemplo, eles procurariam diferenças em imagens daquelas duas condições. E, para ver clara­mente essas diferenças, essencialmente subtrairiam o pixels nas imagens de leitura passiva daqueles encon­trados na imagem vocal; e aceitariam a suposição de que a atividade dos neurônios nas áreas que perma­necem "acesas" seriam as necessárias para ler em voz alta. Qualquer vestigio do que se chama de atividade intrínseca - a atividade constante que fica ao fundo (background activity) - seria deixado no chão da sala de montagem. Representar dados dessa maneira faci­lita a visualização de áreas do cérebro que são "acesas" durante determinado comportamento, como se elas se mantivessem inativas até que fossem requisitadas para determinada tarefa.

Ao longo de anos, no entanto, nosso grupo e ou­tros manifestaram curiosidade sobre o que acontece quando alguém simplesmente descansa e deixa a men­te divagar. Esse interesse surgiu de um conjunto de pis­tas provenientes de vários estudos que sugeriram a ex­tensão dessa atividade "por trás da cena".

Uma pista veio com a mera inspeção visual das ima­gens. As fotos mostravam que áreas em muitas regiões do cérebro se mantinham bem ocupadas tanto nas condições de teste quanto nas de controle. Em parte por causa desse "ruído" de fundo compartilhado, di­ferenciar uma tarefa a partir do estado de controle por
meio do exame de imagens cruas separadas é difícil, se não impossível, e isso se consegue apenas com uma so­fisticada análise computadorizada de imagens.

Análises posteriores indicaram que desempenhar determinada tarefa aumenta o consumo de energia do cérebro à razão de menos de 5% da atividade de base subjacente. Boa parte da atividade geral - de 60% a 80% de toda a energia usada pelo cérebro­ ocorre em circuitos não relacionados a nenhum evento externo. Com a devida licença dos colegas as­trônomos, nosso grupo deu a essa atividade intrín­seca o nome de energia escura do cérebro - referên­cia à energia não visível, mas que representa a maior parte da massa do Universo.

A questão da existência dessa energia neural escu­ra também surgiu quando observamos quanto é re­duzida a informação dos sentidos que de fato alcança as áreas internas de processamento do cérebro. A in­formação visual, por exemplo, sofre perdas significa­tivas ao passar do olho ao córtex visual.

De toda a informação virtualmente ilimitada dis­ponível no mundo ao nosso redor, o equivalente a 10 bilhões de bits por segundo chega à retina, na parte de trás do olho. Como o nervo óptico ligado à retina tem apenas 1 milhão de conexões de saída, somente 6 mi­lhões de bits por segundo saem da retina, e apenas 10 mil bits por segundo chegam ao córtex visual.

Após processamento ulterior, a informação visual é repassada a regiões do cérebro responsáveis por for­mar nossa percepção consciente. Surpreendentemen­te, a quantidade de informação que constitui essa per­cepção consciente é menos de 100 bits por segundo. Uma corrente tão tênue de dados provavelmente não produziria percepção se essa corrente fosse tudo o que o cérebro levasse em conta; a atividade intrínseca deve desempenhar um papel nisso.

• A Descoberta do Modo Padrão

Essas pistas da vida interior do cérebro foram bem es­tabelecidas. Mas era preciso alguma compreensão da fisiologia da atividade intrínseca do cérebro - e como ela poderia influenciar a percepção e o comportamen­to. Felizmente, uma observação intrincada, mas ca­sual, feita durante estudos PET, e mais tarde corrobo­rada com fMRI, nos abriu caminho para a descoberta da DMN. Em meados dos anos 90, notamos, por aci­dente, que, surpreendentemente, algumas regiões do cérebro tinham queda do nível de atividade a partir do estado de repouso, quando os pacientes desempe­nhavam alguma tarefa. Essas áreas - em particular, uma seção do córtex parietal medial (região perto do meio do cérebro, envolvida com a lembrança de even­tos pessoais na nossa vida) - registraram essa queda enquanto outras áreas estavam empenhadas em exe­cutar uma tarefa definida, como ler em voz alta. Per­plexos, demos à área que demonstrava o maior índice de depressão a sigla MMP A (medial mystery parietal area ou área parietal medialde mistério).

Uma série de experimentos com PET confirmou então que o cérebro não permanece desocupado quando não está empenhado numa atividade cons­ciente. De fato, a MMPA, bem como a maioria das outras áreas, permanece constantemente ativa até que o cérebro se concentre em alguma tarefa nova, e nesse momento algumas áreas de atividade intrínse­ ca diminuem seu ritmo. No começo, nossos estudos foram recebidos com ceticismo. Em 1998 até um en­saio nosso sobre essas descobertas foi rejeitado, por­ que o relato da diminuição de atividade seria um erro em nossos dados. Ele sugeriu que, na verdade, os circuitos eram ativados na fase de repouso e desli­gados durante a realização da tarefa. Outros pesqui­sadores, no entanto, reproduziram nossos resulta­dos tanto para o córtex parietal medial quanto para
o córtex pré-frontal medial (ambas as regiões rela­cionadas com "imaginar o que outras pessoas estão pensando", bem como com aspectos do nosso esta­do emocional). As duas áreas são agora considera­ das importantes nichos da DMN.

A descoberta da DMN nos permitiu uma nova maneira de considerar a atividade intrínseca do cére­bro. Até o aparecimento dessas publicações, os neu­rofisiologistas nunca haviam pensado a respeito des­sas regiões como um sistema - do mesmo modo que pensamos nos sistemas visual e motor -, como um conjunto de áreas específicas que se comunicam umas com as outras com o intuito de permitir que uma ta­refa seja realizada. A ideia de que o cérebro pudesse exibir essa atividade interna ao longo de múltiplas re­giões quando em repouso havia escapado ;rtex parietal medial quanto para
o córtex pré-frontal medial (ambas as regiões rela­cionadas com "imaginar o que outras pessoas estão pensando", bem como com aspectos do nosso esta­do emocional). As duas áreas são agora considera­ das importantes nichos da DMN.

A descoberta da DMN nos permitiu uma nova maneira de considerar a atividade intrínseca do cére­bro. Até o aparecimento dessas publicações, os neu­rofisiologistas nunca haviam pensado a respeito des­sas regiões como um sistema - do mesmo modo que pensamos nos sistemas visual e motor -, como um conjunto de áreas específicas que se comunicam umas com as outras com o intuito de permitir que uma ta­refa seja realizada. A ideia de que o cérebro pudesse exibir essa atividade interna ao longo de múltiplas re­giões quando em repouso havia escapado à visão tra­dicional de neuroimagem. Será que só a DMN apre­sentava essa propriedade, ou ela existia mais generi­camente em toda a extensão do cérebro? Uma surpreendente descoberta na maneira como entende­ mos e analisamos a fMRl deu o espaço de que neces­sitávamos para responder essas perguntas.

O sinal de fMRI normalmente é mencionado como nível dependente de oxigênio do sangue (bold da  expressão em inglês blood oxygen level-depen­dent). É considerado sinal porque o método de captu­ra de imagem se baseia em mudanças no nível de oxi­gênio no cérebro humano induzidas por alterações no fluxo sanguíneo. O sinal bold, de qualquer área do cé­rebro, quando observado em estado de acentuado re­pouso, flutua lentamente, com ciclos que ocorrem de modo geral a cada 10 segundos. Flutuações lentas assim foram consideradas mero ruído, e dessa forma os dados detectados pelo scanner eram simplesmente eli­minados, a fim de melhor resolver a atividade cerebral por meio da tarefa em particular, cuja imagem estava sendo capturada.

O acerto de descartar os sinais de baixa frequência foi questionado em 1995, quando Bharat Biswal e seus colegas da Medical College of Wisconsin obser­varam que, mesmo quando um paciente permanecia imóvel, o "ruído" na área do cérebro que controla os movimentos da mão direita flutuava. Isso ocorria em uníssono com atividade semelhante na área do lado oposto do cérebro associada aos movimentos da mão esquerda. No inicio desta década, Michael Greicius e seus colaboradores da Stanford University encontra­ram as mesmas flutuações sincronizadas na DMN num paciente em repouso.

Por causa do interesse cada vez maior no papel da DMN nas funções cerebrais, a descoberta do grupo de Greicius estimulou uma enxurrada de atividades em laboratórios no mundo todo, inclusive a nossa, em que todo ruído, a atividade intrínseca dos principais sistemas do cérebro, foi mapeado. Esses notáveis pa­drões de atividade apareceram mesmo sob anestesia geral e durante o sono leve - sugestão de que eram uma faceta fundamental do funcionamento do cére­bro e não apenas ruído.

Ficou claro, a partir desse trabalho, que a DMN é responsável por apenas uma parte, ainda que críti­ca, da atividade intrínseca total - e a noção de que um modo padrão de função cerebral se estende a to­dos os sistemas do cérebro. Em nosso laboratório, a descoberta de um modo padrão generalizado veio a partir de um primeiro exame da atividade elétrica ce­rebral conhecida como potenciais corticais lentos (SCPs, na sigla em inglês), em que grupos de neurô­nios "disparam" aproximadamente a cada 10 se­gundos. Nossa pesquisa determinou que as flutua­ções espontâneas observadas nas imagens bold eram idênticas às dos SCPs: a mesma atividade, detectada por meio de diferentes métodos de pesquisa.

Passamos então a examinar o propósito dos SCPs, já que eles se relacionam a outros sinais elétricos neu­rais. Como Berger mostrou em primeiro lugar, e mui­tos outros confirmaram desde então, a sinalização cerebral consiste em um amplo espectro de frequên­cias, que vão dos SCPs de baixa frequência até a ati­vidade acima de 100 ciclos por segundo. Um dos grandes desafios da neurociência é entender como os sinais de diferentes frequências interagem.

Acontece que os SCPs têm um papel influente. Tanto nosso trabalho quanto o de outros pesquisa­dores demonstram que a atividade elétrica em fre­quências acima daquelas dos SCPs sincroniza-se com as oscilações, ou fases, dos SCPs. Como obser­vado recentemente por Matias Palva e seus colegas da Universidade de Helsinque, a fase ascendente de um SCP produz um aumento na atividade dos si­nais em outras frequências.

A orquestra sinfônica proporciona uma metáfora adequada, com sua integrada "tapeçaria" de sons provenientes de múltiplos instrumentos que tocam no mesmo ritmo. Os SCPs equivalem à batuta do regen­te. Só que, em vez de manter o tempo para um con­junto de instrumentos musicais, esses sinais coorde­nam o acesso que cada sistema cerebral exige para o vasto depósito de memórias e outras informações ne­cessárias para sobreviver num mundo complexo e em permanente mudança. Os SCPs garantem que as computações corretas ocorram de maneira coordena­da, exatamente no momento adequado.

Mas o cérebro é mais complexo que uma orques­tra sinfônica. Cada sistema cerebral especializado ­ um que controla a atividade visual, outro que ativa os músculos - apresenta seu próprio padrão de SCPs. O caos é evitado porque todos os sistemas não são cria­dos como iguais. A sinalização elétrica de algumas áreas do cérebro tem precedência sobre outras. No topo dessa hierarquia situa-se a DMN, que atua como supremo condutor, a fim de garantir que a cacofonia de sinais em competição de um sistema não interfira com os sinais de outro. Essa estrutura organizacional não surpreende, porque o cérebro não é um vale-tudo entre sistemas independentes, mas uma federação de componentes interdependentes.

Ao mesmo tempo, essa intrincada atividade inter­na às vezes deve ceder às exigências do mundo exte­rior. A fim de fazer essa acomodação, SCPs na DMN diminuem quando há necessidade de vigilância, por causa da absorção de impulsos sensoriais novos ou inesperados - por exemplo, você de repente se dá con­ta de que prometeu ir buscar uma caixa de leite ao vol­tar de carro para casa. O sistema interno de mensa­gens SCP se reativa assim que diminui a necessidade de atenção focada. O cérebro oscila continuamente entre a necessidade de equilibrar respostas planejadas com demandas imediat