Ritmos do cérebro: os tempos de nossas vidas

Contando minutos, meses e anos o relógio biológico ajuda cérebro e corpo a se manterem em ritmo organizado.

Revista Scientific American - por Karen Wright

Em síntese

No cérebro, um "cronôme­tro" pode controlar segundos, minutos e horas. Outro dis­positivo de controle de tempo no cérebro, mais um relógio que um cronômetro, sincroniza muitas funções or­gânicas dia e noite. Este
mesmo relógio pode ser res­ponsável porvários distúrbios sazonais. Uma ampulheta rnoIecular que governa o número de vezes que uma célula pode se dividir poderia pôr um limite na Iongevidade.

O falecido biopsicólogo Johnn Gibbon denominava o tempo como o "contexto primordial": um fato da vida sentido por todos os organis­mos em todas as eras. O tempo é tudo, para todos: para a flor que abre as pétalas ao nascer do sol, os gansos que voam para o sul no outono, os gafanho­tos que formam nuvens a cada 17 anos e mesmo para o bolor que produz esporos em ciclos diários. No corpo humano relógios biológicos marcam o registro de segundos, minutos, dias meses e anos, regem os movimentos de fração de segundo de um saque no tênis e são responsáveis pelo trauma da mudança de fuso horário, os picos mensais de humor instável dos hormônios menstruais e os acessos de melancolia em invernos sem sol. Os cronômetros celulares podem decidir quando o seu tempo acabou. A vida para de pulsar, e então você morre.

Os marca-passos envolvidos são tão di­versos quanto cronômetros e relógios de sol. Alguns são regidos por ciclos planetá­rios, outros por moleculares. São essenciais às tarefas mais sofisticadas que o cérebro e o corpo desempenham. Os mecanismos de determinação de ritmos explicam o enve­lhecimento e doenças: o câncer, o Parkin­son, a depressão sazonal e o distúrbio de dé­ficit de atenção estão todos ligados a defei­tos em relógios biológicos.

A fisiologia desses cronômetros ainda não foi totalmente decifrada, mas neurologistas e outros cientistas que estudam reló­gios biológicos podem começar a responder algumas das perguntas mais prementes surgidas da experiência humana na quarta dimensão. Por que, por exemplo, uma cane­ca que está sendo observada nunca ferve? Por que o tempo voa quando nos diverti­mos? Por que ficar acordado a noite toda pode provocar indigestão? Ou por que as pessoas vivem mais que os hamsters? É apenas questão de tempo até estudos deci­frarem os mais profundos dilemas sobre a existência temporal.

• O cronômetro psicoativo

Se este artigo for interessante para você o tempo passará rapidamente enquanto o lê. Mas se o considerar entediante o tempo se arrastará Esse é um capricho do cronôme­tro cerebral - o "relógio de intervalo" - que avalia os períodos de tempo de segundos a horas. Ele o auxilia a calcular com que rapidez você deve correr para alcançar uma boIa, comanda quando deve bater palmas na sua música preferida e dá ideia de quanto
tempo você ainda pode ficar na cama após o despertador tocar.

A avaliação do tempo de intervalo atinge os poderes cognitivos superiores do córtex cerebral, o centro do cérebro que gover­na a percepção, memória e pensamento consciente. Ao se aproximar de um sinal amarelo enquanto dirige o carro, por exemplo, você calcula quanto tempo a luz esteve amarela e compara com uma lembrança de quanto tempo as luzes amarelas costumam durar. "Então você decide se vai pisar no freio ou acelerar:" - exemplifica Stephen M. Rao, da Cleveland Clinic Lou Ruvo Center for Brain Health.

Os estudos de Rao com imagens de res­sonância magnética funcional (IRMf) apontaram para as partes do cérebro envolvidas em cada um desses estágios. No inte­rior do aparelho participantes de uma pes­quisa ouviram dois pares de notas musicais e decidiram se o intervalo entre o segundo era mais curto ou mais longo que o do pri­meiro par. As estruturas do cérebro envolvi­das na tarefa consomem mais oxigênio que as outras, e o equipamento registra mudan­ças de registros no fluxo sanguíneo e na oxi­genação a cada 240 milésimos de segundo. "Ao fazer isso as primeiras estruturas ativa­das são os núcleos da base"; segundo Rao.

Esse conjunto de regiões cerebrais, há muito tempo associado ao movimento, é considerado o principal suspeito na busca de mecanismos de marcação de intervalos. O estriado, uma área dos núcleos da base, hospeda uma população de células nervo­sas visivelmente bem conectadas e que re­cebem sinais de outras partes do cérebro. Os braços longos dessas células do estriado são cobertos por 10 mil a 30 mil espinhos, cada um coletando informações de um neu­rônio diferente em outro local. Se o cérebro age como uma rede então os neurônios es­pinhosos do estriado são nódulos críticos. "Este é um dos poucos locais do cérebro on­de milhares de neurônios convergem para um único neurônio"; segundo Warren H. Meck da Duke University.

Os neurônios espinhosos do estriado são essenciais para a teoria de marcação de tem­po de intervalo que Meck desenvolveu com Gibbon, que trabalhou na Columbia University até falecer, em 2001. A teoria coloca um conjunto de osciladores neurais no córtex cerebral: células nervosas ativadas em pro­porções diferentes, sem relação com os rit­mos dos vizinhos. Muitas células cortícais são conhecidas por disparar em índices en&sh hy;tre 10 e 40 ciclos por segundo sem estímulo externo. "Todos esses neurônios oscilam em seus próprios esquemas", acrescenta Meck, "como pessoas conversando numa multi­dão. Nenhum deles está sincronizado."

Os osciladores corticais se ligam ao es­triado por milhões de braços que transmi­tem sinais, assim os neurônios espinhosos do estriado conseguem ouvir todas essas "conversas" ocasionais. Então, algo - por exemplo, um sinal amarelo - atrai a aten­ção das células corticais. O estímulo põe to­dos os neurônios do córtex em alerta, dis­parando simultaneamente e provocando um pico característico na atividade elétrica uns 300 milésimos de segundos mais tarde. Esse pico que atrai a atenção age como um tiro de partida em corridas, após o que as células corticais retomam suas oscila­ções desordenadas.

Mas como começaram simultaneamen­te, agora os ciclos produzem um padrão dis­tinto e reproduzível de ativação nervosa de tempos em tempos. Os neurônios espinho­sos monitoram esses padrões, que os aju­dam a "contar" o tempo passado. Ao fim de um intervalo determinado -e- quando, por exemplo, o sinal tornar-se vermelho - uma parte dos núcleos da base denominada substância negra envia uma explosão do neurotransmissor dopamina para o estria­do. Essa explosão induz os neurônios espi­nhosos a registrar o padrão de oscilações corticais que recebem naquele instante co­mo uma lâmpada de flash expondo a assi­natura cortical do intervalo sobre o filme dos neurônios espinhosos. Há uma marca de tempo específica para cada intervalo.

Assim que um neurônio espinhoso iden­tíficá a marca do intervalo relativa a deter­minado evento, ocorrências posteriores su­gerem tanto o "disparo" do revólver cortical quanto a explosão de dopamina no início do intervalo. A explosão de dopa­mina agora leva os neurônios espinhosos a determinar os padrões dos impulsos corti­cais que se seguem. Quando os neurônios espinhosos reconhecem a marca temporal indicando o fim do intervalo, eles enviam um pulso elétrico do estriado para outro centro do cérebro denominado tálamo. En­tão, o tálamo comunica-se com o córtex e as funções cognitivas superiores - como me­mória ou tomada de decisão - assumem o comando. Por isso, o mecanismo de contro­le de tempo percorre um circuito do córtex ao estriado, depois até o tálamo e de volta ao córtex novamente.

Se Meck estiver certo, e as explosões de dopamina desempenharem papel relevante na determinação de intervalos de tempo, então as doenças e fármacosque afetam os níveis de dopamina devem também pertur­bar esse circuito. É o que Meck e outros des­cobriram até o momento. Pacientes com Parkinson, sem tratamento por exemplo, li­beram menos dopamina no estriado e seus relógios se atrasam. Em experiências, esses pacientes continuamente subestimaram a duração de intervalos de tempo. A maco­nha também baixa a disponibilidade de do­pamina e torna o tempo mais lento. Os esti­mulantes recreativos como a cocaína e a metanfetamina aumentam a dopamina e fazem o relógio de intervalo se acelerar, de modo que o tempo parece passar mais rápi­do. A adrenalina e outros hormônios de es­tresse fazem o relógio se acelerar, por isso, em situações desagradáveis, sentimos que o tempo não passa. Estados de concentração profunda, ou emoção extrema, podem so­brecarregar o sistema ou ignorá-lo total­mente; nesses casos, o tempo pode parecer parar ou sequer existir. Como um pico de atenção inicia o processo temporal, Meck acredita que as pessoas hiperativas, com dé ficit de atenção, também podem ter proble­mas na avaliação da verdadeira duração desses intervalos.

O relógio de intervalo também pode ser treinado para maior precisão. Os músicos e atletas sabem que a prática melhora sua identificação de tempo; pessoas normais podem se basear em truques como conta­gem cronométrica ("um a mil") para com­pensar deficiências do mecanismo. Rao não deixa os participantes de seus experimentos contar, pois isso pode ativar centros cere­brais relacionados à linguagem, além dos li­gados à contagem do tempo. Mas contar funciona, diz ele - o suficiente para expor os que estão trapaceando. "O efeito é tão óbvio que podemos dizer se estão contando ou calculando o tempo apenas usando como base a exatidão de suas respostas."

• O ponteiro solar somático

Uma das virtudes do cronometros de contro­le de intervalos é sua flexibilidade. Pode-se ligar ou parar à vontade, ou ignorá-lo com­pletamente. Ele pode funcionar sublimi­narmente ou ser submetido ao controle consciente. Verificou-se que sua precisão varia de cinco a 60%. Ele não funciona mui­to bem quando se está distraído ou tenso, e erros na marcação de tempo podem piorar se os intervalos se tornarem mais longos. É por isso que confiamos em celulares ou re­lógios de pulso para a hora certa.

Felizmente, um cronômetro mais rigo­roso marca intervalos de 24 horas. O relógio circadiano - do latim circa (por volta) e diem (dia) - sintoniza nosso organismo com ciclos de luz solar e de escuridão pro­duzidos pela rotação da Terra Ele ajuda a programar a rotina diária de dormir à noite e acordar pela manhã Mas essa influência vai muito mais longe. A temperatura do corpo costuma ter um pico no fim da tarde ou no início da noite e cai poucas horas antes de nos levantarmos de manhã A pres­são sanguínea costuma subir entre seis e se­te da manhã A secreção de cortisol, hormô­nio do estresse, é 10 a 20 vezes maior de ma­nhã que à noite. Em geral, durante a noite cessa a urinação e a atividade intestinal pa­ra serem retomadas de manhã.

O aparelho circadiano se parece mais com um relógio que com um cronômetro, pois funciona sem necessidade de estímulo do ambiente externo. Estudos em voluntá­rios moradores de cavernas e em outras cobaias humanas demonstraram que os pa­drões circadianos permanecem mesmo na ausência da luz diurna, de demandas ocu­pacionais e de cafeína Além disso, eles são expressos em todas as células do organis­mo. Células humanas presas em uma placa de Petri exposta à luz contínua ainda segui­ram ciclos de 24 horas na tilde; A secreção de cortisol, hormô­nio do estresse, é 10 a 20 vezes maior de ma­nhã que à noite. Em geral, durante a noite cessa a urinação e a atividade intestinal pa­ra serem retomadas de manhã.

O aparelho circadiano se parece mais com um relógio que com um cronômetro, pois funciona sem necessidade de estímulo do ambiente externo. Estudos em voluntá­rios moradores de cavernas e em outras cobaias humanas demonstraram que os pa­drões circadianos permanecem mesmo na ausência da luz diurna, de demandas ocu­pacionais e de cafeína Além disso, eles são expressos em todas as células do organis­mo. Células humanas presas em uma placa de Petri exposta à luz contínua ainda segui­ram ciclos de 24 horas na atividade genéti­ca, secreção hormonal e produção de energia. Os ciclos estão ligados ao organismo e e sua variação é de apenas 1% - apenas al­guns minutos por dia.

Mas se a luz não é necessária para estabelecer um ciclo circadiano, é essencial para sincronizar a fase de um relógio físico com os ciclos naturais do dia e da noite. Co­mo um relógio comum, que atrasa ou se adianta alguns minutos por dia, o relógio circadiano precisa ser continuamente ajus­tado para manter a precisão. Neurologistas fizeram progressos no entendimento de como a luz do dia acerta o relógio. Dois grupos de dez mil células nervosas no hipotálamo do cérebro já são considerados como o cen­tro do relógio. Décadas de estudos com ani­mais demonstraram que esses centros, denominados núcleo supraquiasmático (NSQ), coordenam flutuações diárias na pressão sanguínea, temperatura, níveis de atividade e de alerta O NSQ também diz à glândula pineal no cérebro quando liberar melatonina, secretada apenas à noite, que estimula o sono nos seres humanos.

Na década passada cientistas provaram que células especializadas na retina trans­mitem informações sobre níveis de luz ao NSQ. Essas células - subconjunto daquelas conhecidas como células ganglionares ­operam de modo totalmente independente dos bastonetes e cones que permitem a vi­são, sendo muito menos sensíveis a mudanças bruscas na luz. Essa lentidão condiz com o sistema circadiano. Não seria bom se o mecanismo disparasse ao acaso.

O papel do NSQ nos ritmos circadianos foi reavaliado devido a outras descobertas. Cientistas concluíram que o NSQ, de algu­ma forma, coordena todos os relógios celu­lares individuais nos órgãos e tecidos do organismo. Mas em meados da década de 1990 pesquisadores descobriram quatro genes cruciais que regem os ciclos circadianos em moscas, camundongos e seres humanos. Esses genes não estão apenas no NSQ, mas em toda parte. "Esses genes de relógios são expressos por todo o organis­mo, em todos os tecidos. Não esperávamos ada disso", revela Joseph Takahashi, agora no Southwestern Medical Center da University of Texas.

Mais recentemente, cientistas da Harvard University descobriram que a expressão de mais de mil genes em tecidos do coração e do fígado de camundongos variou em períodos regulares de 24 horas. Mas os genes que mostravam esses ciclos circadianos diferiam nos dois tecidos e a expressão deles atingia o apogeu no coração em horários diferen­tes dos apresentados pelo fígado. "Eles estão em todos os lugares", segundo Mi­chael Menaker da University of Virginia. "Alguns tiveram pico à noite, outros de manhã e alguns durante o dia:" Menaker demonstrou que horários es­pecíficos de refeições podem mudar a fase do relógio circadiano do fígado, sobrepon­do-se ao ritmo claro-escuro seguido pelo NSQ. Quando, por exemplo, ratos de labo­ratório que costumam comer à vontade fo­ram alimentados apenas uma vez por dia, o pico do gene temporal do fígado mudou pa­ra 12 horas, enquanto o mesmo gene no NSQ permaneceu em sincronia com os ho­rários de luz. Faz sentido que os ritmos diá­rios na alimentação afetem o fígado, devido a seu papel na digestão. Cientistas acredi­tam que os relógios circadianos em outros órgãos e tecidos possam corresponder a ou­tras indicações externas, inclusive estresse, exercícios e alterações de temperatura, que ocorrem regularmente a cada 24 horas.

Ninguém está pronto para destronar o NSQ; seu controle sobre a temperatura do corpo, pressão e outros ritmos fundamen­tais ainda está garantido. Mas esse centro no cérebro não é mais considerado como regente definitivo de relógios periféricos. "Temos osciladores em nossos órgãos que podem operar de modo independente dos osciladores cerebrais"; avalia Takahashi. A autonomia dos relógios periféricos torna o fenômeno jet lag, mal-estar físico por mudança de fuso horário, muito mais compreensível. Enquanto o relógio de in­tervalo que como um cronômetro pode ser ajustado em um instante, os ritmos circa­dianos levam dias e às vezes semanas para se ajustar a uma alteração súbita na dura­ção do dia ou no fuso horário. Um novo ho­rário no esquema de luz ajusta vagarosa­mente o relógio do NSQ. Mas os outros reló­gios podem não seguir esse comando. O or­ganismo não só está defasado, mas defasa­ do em vários ritmos diferentes.

Provavelmente, o jet lag não persiste, porque todos esses tambores diferentes são capazes de finalmente se sincronizar outra vez. Pessoas que trabalham em tur­nos, festeiros, universitários e outros notí­vagos deparam com um dilema cronológi­co ainda pior. Podem estar levando um ti­po de vida fisiológica dupla. Mesmo se dormirem bastante durante o dia, os rit­mos essenciais ainda são regidos pelo NSQ - portanto, as funções centrais conti­nuam a "dormir" à noite. "Você pode que­rer que seu ciclo de sono seja mais cedo ou mais tarde, mas não consegue controlar os níveis de melatonina, de cortisol ou a sua temperatura corporal para mais cedo ou mais tarde", enfatiza Alfred J. Lewy, da Oregon Health & Science University.

Enquanto isso, seus horários de refei­ções e de exercícios podem estar ajustando os relógios periféricos para fases totalmente diferentes tanto do ciclo de sono-vigília quanto do ciclo luz-escuridão. Com os orga­nismos vivendo em tantos fusos horários ao mesmo tempo não chega a impressionar o fato de pessoas que tr