Os cientistas podem finalmente ter explicado por que nossos cérebros e corpos estão interligados

Dr. Martin Wessendorf, neurocientista e professor associado emérito da Universidade de Minnesota, estuda como o tronco cerebral regula os neurônios na medula espinhal. Daniel Wang é especialista em neurociência cognitiva e doenças neurodegenerativas. Juntos, eles examinaram as origens evolutivas das conexões cruzadas do cérebro.

Em um estudo publicado em Fronteiras na Neuroanatomiaos pesquisadores exploram vários circuitos neurais em animais de quatro membros que possuem fios cruzados (o que significa que um lado do cérebro se conecta ao lado oposto do corpo). A sua hipótese sugere que estas ligações podem ter-se desenvolvido porque a evolução construiu novos circuitos cerebrais em torno de um antigo sistema visual.

O cérebro contém inúmeras vias que cruzam de um lado a outro do sistema nervoso central. Compreender por que existem essas conexões contralaterais (cruzamento da linha média) requer examinar como diferentes circuitos sensoriais e de movimento se desenvolveram ao longo do tempo evolutivo.

Como o cérebro processa informações visuais

Uma explicação possível começa com os olhos. Quando a luz passa pelas lentes do olho, a imagem projetada na retina é invertida. Os objetos que aparecem à nossa direita são projetados no lado esquerdo da retina, enquanto os objetos à nossa esquerda são projetados no lado direito.

A informação visual viaja ao longo do nervo óptico até uma estrutura chamada quiasma óptico. Aqui, as fibras nervosas são organizadas de modo que as informações do campo visual direito cheguem ao lado esquerdo do cérebro, enquanto as informações do campo visual esquerdo sejam direcionadas para o lado direito.

Alguns desses sinais chegam a uma antiga estrutura cerebral chamada teto óptico (que nos mamíferos é chamada de colículo superior). Localizada no mesencéfalo, esta região ajuda a produzir reações rápidas a eventos visuais, como perceber repentinamente algo se movendo nas proximidades.

Cada lado do teto óptico contém uma representação do campo visual oposto. Mais profundamente na estrutura, as informações sobre as sensações físicas (informações somatossensoriais) também são organizadas em mapas correspondentes.

Como o tectum óptico existe em todas as espécies de vertebrados, é considerado uma das estruturas mais antigas do sistema nervoso dos vertebrados. Seu aparecimento precoce pode ser especialmente importante para entender por que tantas outras vias neurais se cruzam.

Por que os sinais sensoriais atravessam o cérebro e a medula espinhal

Os pesquisadores também examinaram duas vias principais responsáveis ​​pela transmissão de sensações do corpo para o cérebro. Ambos atravessam o centro do sistema nervoso central (o cérebro e a medula espinhal) e parecem estar disseminados entre os tetrápodes (os animais com quatro membros, incluindo mamíferos, aves, répteis e anfíbios).

A primeira, chamada via da coluna dorsal, transporta informações sobre toque suave, vibração e posição de diferentes partes do corpo. Os sinais dos membros e do tronco viajam para cima através da porção dorsal da medula espinhal antes de chegarem a outro neurônio no tronco cerebral, logo acima da medula espinhal. A partir daí, o caminho atravessa para o lado oposto.

Embora os peixes não tenham essa via, os cientistas a identificaram em anfíbios, répteis, aves e mamíferos. A sua presença nestes principais grupos de animais sugere que o arranjo surgiu no início da evolução dos tetrápodes e permaneceu amplamente conservado.

A segunda via, conhecida como trato espinotalâmico, transmite sensações que envolvem dor, coceira e certos tipos de toque. Ao contrário da via da coluna dorsal, ela cruza para o lado oposto dentro da própria medula espinhal.

Após o cruzamento, os sinais viajam para cima, até o tálamo, uma região do cérebro localizada acima do mesencéfalo que desempenha um papel central no processamento de informações sensoriais e de movimento.

Este arranjo cruzado é encontrado em aves, mamíferos e répteis. Também ocorre em alguns peixes cartilaginosos, incluindo tubarões e raias, sugerindo que aspectos desta organização têm raízes evolutivas ainda mais profundas.

Como o cérebro controla o movimento em todo o corpo

A organização cruzada do sistema nervoso vai além da sensação. Os pesquisadores identificaram três vias importantes envolvidas no controle dos músculos esqueléticos que também conectam um lado do cérebro ao lado oposto da medula espinhal.

A primeira é a via tectoespinhal, que ajuda o corpo a responder rapidamente às informações do ambiente.

O tectum óptico processa mais do que a visão. Também recebe informações sobre sons e sensações físicas, organizando esses sinais em mapas que se alinham com a sua representação visual no lado oposto do cérebro.

Imagine se preparar para atravessar uma rua quando de repente você percebe um carro se aproximando pelo canto do olho. Você instintivamente se vira em direção ao veículo. A via tectoespinhal é um dos circuitos neurais que ajuda a produzir essa resposta rápida. Ele também pode coordenar reações semelhantes a sons ou toques inesperados.

Os sinais de movimento originam-se nas camadas mais profundas do teto óptico e viajam através das fibras nervosas até o lado oposto da medula espinhal. Esta via está presente na maioria dos tetrápodes e em alguns peixes cartilaginosos.

Outro circuito importante é a via rubroespinhal, que ajuda os animais a controlar seus membros. Começa em uma estrutura do mesencéfalo chamada núcleo vermelho e se estende até o lado oposto da medula espinhal. A via é especialmente proeminente na maioria dos mamíferos, embora também tenha sido identificada em outros tetrápodes e em alguns peixes cartilaginosos.

A evolução do controle motor fino em humanos

A terceira via, chamada trato corticoespinhal, tem um papel particularmente importante nos seres humanos porque suporta movimentos precisos, incluindo o controle preciso dos nossos dedos.

Sua história evolutiva é mais complicada do que a das outras vias.

Todos os vertebrados possuem um telencéfalo, a porção anterior do cérebro que representa grande parte do tamanho geral do cérebro em humanos. No entanto, apenas os mamíferos possuem um córtex cerebral organizado em seis camadas distintas.

Este córtex de seis camadas suporta funções sofisticadas, como combinar informações sensoriais com memórias, coordenar movimentos e processar linguagem.

A via corticoespinhal se estende do córtex cerebral em direção à medula espinhal, mas sua função varia entre os animais.

Na maioria dos mamíferos, influencia principalmente o processamento sensorial. As fibras nervosas atingem regiões da medula espinhal que recebem informações do corpo, permitindo ao cérebro regular as sensações recebidas.

Em primatas (incluindo humanos) e em alguns outros animais capazes de movimentos altamente precisos, a via também atinge regiões da medula espinhal responsáveis ​​pelo controle dos músculos. Essas conexões possibilitam ações complexas, incluindo os movimentos coordenados dos dedos necessários para tarefas delicadas.

Dependendo da espécie, o trato corticoespinhal pode regular a informação sensorial ou contribuir diretamente para o movimento. Em ambos os casos, as suas fibras cruzam a linha média do sistema nervoso.

Os pesquisadores sugerem que os humanos podem ter desenvolvido habilidades motoras finas avançadas ao adaptar um circuito neural mais antigo, originalmente envolvido no controle da entrada sensorial. Em vez de criar um sistema inteiramente novo, a evolução pode ter dado um propósito adicional a um caminho existente.

Uma explicação de 500 milhões de anos para a fiação cruzada do cérebro

Tomados em conjunto, estes caminhos neurais apontam para uma explicação potencialmente surpreendente para a organização incomum do cérebro.

Os investigadores propõem que os primeiros circuitos visuais ajudaram a estabelecer um padrão no qual as vias sensoriais e de movimento eram organizadas em lados opostos do sistema nervoso. Os circuitos posteriores podem ter herdado esse arranjo à medida que evoluíram, principalmente nos tetrápodes.

Como todos os vertebrados vivos possuem um quiasma óptico e um tecto óptico organizado em torno de informações do campo visual oposto, os investigadores suspeitam que estas estruturas já estavam presentes em peixes primitivos sem mandíbula durante o Período Cambriano, aproximadamente 538 a 486 milhões de anos atrás.

Se estiver correto, isto significaria que a organização básica subjacente às conexões cruzadas do cérebro começou a desenvolver-se mais de meio bilhão de anos antes do aparecimento dos humanos modernos.

A hipótese pode até ser testável. Os cientistas poderiam examinar crânios fossilizados de antigos peixes sem mandíbula em busca de evidências anatômicas que pudessem ajudar a estabelecer se esses primeiros animais possuíam um quiasma óptico e um teto óptico.

Uma herança evolutiva em vez de uma vantagem?

A ideia mais ampla desafia a suposição de que cada característica biológica incomum deve ter evoluído porque proporcionou um benefício direto de sobrevivência.

A evolução modifica frequentemente estruturas que já existem em vez de desenvolver sistemas completamente novos. Uma vez que as antigas vias visuais estabeleceram uma organização cruzada, esse arranjo pode ter influenciado o desenvolvimento de circuitos sensoriais e motores adicionais.

Em particular, a organização do sistema visual (e em particular, do tecto óptico) pode ter fornecido uma base estrutural que seguiram caminhos posteriores.

Sob esta hipótese, as conexões cruzadas do cérebro não surgiram necessariamente porque controlar o lado oposto do corpo era inerentemente mais eficaz. Em vez disso, podem reflectir a influência duradoura de um arranjo antigo que a evolução reutilizou repetidamente.

O resultado poderá ser um dos exemplos mais duradouros de como o sistema nervoso preserva a sua história evolutiva. A estranha relação entre os dois hemisférios do cérebro e os lados opostos do corpo pode, em última análise, remontar aos sistemas visuais de animais que viveram há mais de 500 milhões de anos.