O Neurónio

É a estrutura básica do sistema nervoso, comum à maioria dos vertebrados , é a mesma da totalidade dos mamíferos.

Os cérebros ou redes neuronais formais não podem resolver certos problemas , mas apenas encontrar soluções que podem ser razoáveis ou aproximadas da solução , para classes limitadas mas importantes de problemas .

O cérebro humano possui entre 10 000 000 000 e 100 000 000 000 neurónios , estes vão cooperando entre si interagindo uns com os outros , pois cada neurónio do cérebro humano está ligado a centenas ou milhares de outros neurónios . Assim , estima-se que existe 100 000 000 000 000 e 1 000 000 000 000 000 de conexões entre os neurónios . Este número é muito inferior ao número estimado para que o conexionismo no cérebro seja total .

Neurónios e suas conexões sinápticas

Nos mamíferos o sistema nervoso é protegido por um crânio e por uma coluna vertebral . Para que o tecido nervoso não venha a ser danificado quando em contacto com o osso existe entre eles um fluído cerebrospinal que faz com que o sistema cerebral se encontre em suspensão hidráulica.

O sistema nervoso vai consumir 25% de energia do seu corpo, devido à electroquímica dos neurónios. Este elevado metabolismo faz com que os tecidos metabolicamente activos sejam sensíveis a venenos e a falhas de combustivel. Para que isto não aconteça o cérebro é regulado através de uma barreira sangue-cérebro que é um mecanismo de filtragem , desempenhado principalmente pela glia , que permite a passagem de um espectro estreito de moléculas.

Os neurónios dos mamíferos têm a particularidade de pouco após o seu nascimento, não se dividirem mais. Não existe a substituição de neurónios logo após a sua morte. Alguns sistemas neuronais têm a particularidade de existir uma competição para estabelecer conexões entre neurónios e, se os contactos funcionais não forem apropriados, a célula morre.

Estrutura do Neurónio

O neurónio é constituído por uma célula principal (cell body), por dendrites, por um axónio e na sua extremidade existem estruturas designadas por sinapses.

As dendrites têm como função fazer o processamento e integrar as correntes sendo o resultado da computação propagado ao longo do axónio até às sinapses, em que as correntes de saída são as correntes de entrada de outros neurónios. As sinapses fazem com que a célula influencie a actividade das outras células.

O neurónio(motor) gigante da lula

 

Existe a crença por parte dos cientistas de que a eficiência das sinapses pode variar e estas eficiências são a chave do entendimento da natureza da computação neuronal.

O Comportamento Eléctrico do Neurónio

Para considerar o potencial da membrana tem que se pensar tambem nos desiquilibrios iónicos no neurónio. As concentrações de dois iões designados por Sódio e Potássio são desiguais dentro e fora da célula , sendo a concentração de Na+ maior fora da célula enquanto que a concentração de K+ é maior no interior da célula . Sendo a membrana da célula permeável, a activação do neurónio provoca perda de potássio e a introdução de sódio na célula provoca o activamento da bomba sódio-potássio que mantem a concentração destes iões constante dentro e fora da célula .

Os dois estados da célula quanto ao potencial da sua membrana são dois ; a célula diz-se hiperpolarizada quando a potencial da membrana é mais negativo ou diz-se despolarizada quando se torna menos negativo.

Foram feitas experiências sobre o potencial de acção e conclui-se que este não altera a sua forma com o aumento de corrente. Este aspecto é designado por tudo ou nada , um passo subtil de verdadeiro-falso dado por McCulloch e Pitts .

O estudo da natureza do potencial de acção vai dar origem à neurofisiologia . Foi então estudado, em primeiro lugar,por Hodgkin e Huxley , no axónio gigante da lula , Loligo Vulgaris , que tinha a particularidade da sua espessura ter cerca de meio milímetro ou mais de diâmetro .O mecanismo que faz com que exista potencial de acção é um processo de retroacção regenerativa involvendo alterações nas condutâncias da membrana relativamente aos iões sódio e potássio .

Canais e bombas de sódio-potássio

Conclui-se então que existem duas diferenças entre o interior e o exterior de uma célula nervosa ; a primeira é que o interior da célula está carregado negativamente relativamente ao exterior e as composições iónicas do interior e do exterior são diferentes.

O Neurónio de McCulloch-Pitts

O neurónio de McCulloch-Pitts é o primeiro arquétipo do funcionamento do sistema nervoso baseado em neurónios abstractos e nas suas interligações. É uma máquina caracterizada por um limiar de excitabilidade e accionada por sinapses de igual eficiência e interacção linear, em que se prossupõe a existência de um relógio discreto interno. As sinapses inibitórias têm um papel fundamental porque a sua acção é absoluta, isto é, quando um sinapse inibitória se encontra activa o neurónio inactiva-se.

Durante um quantum, ou seja a abstracção do atraso sináptico, existe uma resposta do neurónio à actividade das suas sinapses e estas reflectemos os estados das células pré-sinápticas.

Neurónio do cortex

 

McCulloch e Pitts escreveram:

"A lei de tudo-ou-nada da actividade nervosa é suficiente para assegurar que a actividade de um neurónio pode ser denotada por uma proposição. As releções fisiológicas que existem entre actividades nervosas correspondem, então, às relações entre proposições, isto é, uma rede de conexões entre proposições simples pode originar proposições complexas."

O resultado central do papel de 1943 foi muito importante, pois chegou-se à conclusão que toda a expressão lógica pode ser processada, executada por uma rede de neurónios, os de McCulloch e Pitts. Assim este resultado vai ser importante relativamente à época em que se insere, a admirável conclusão foi que os elementos simples quando conectados em rede possuíam um poder computacional muito grande.

Através dos trabalhos destes dois cientistas fizeram foi de tal maneia grandioso que se fundou uma tradição na actividade cientifica, em que o cérebro é observado como um processador que executa operações lógicas e simbólicas, equivalente a um computador digital. Mas o impacto não se fez sentir na neurociência mas sim na computação.

Inibição Lateral e Processamento Sensorial

O Limulus polyphemos , tem o sistema nervoso mais bem estudado e o qual proporcionou a revelação do poder computacional de um sistema distribuido . A arquitectura do sistema visual deste ser foi muito influente na investigação de arquitecturas de neurónios formados.

Anatomia do Limolus polyphemos

 

O olho do Limulus encontra-se dividido em 800 ommatidia, física e opticamente separados uns dos outros . Cada ommatidium é constituido por unidades próprias de recepção de luz e de transdução neural e ainda por paredes opacas que os separam dos vizinhos. Os cones transparentes possuem índices de refracção graduais que focam a luz nos fotosensores . Cada ommatidium cobre um ângulo medido em estereo-radianos e o campo de visão de um olho é cerca de um hemisfério. As células fotossensíveis de um ommatidium respondem à iluminação com pequeno potencial receptor . A célula excêntrica converte esta voltagem em frequências de potencias de acção , o que faz com que exista uma relação de linearidade notável entre o gerador do potencial e a frequência de disparo da célula .

Quando foi técnicamente possível ser registado em simultâneo a actividade dos grupos de ommatidia descobriu-se que estes estão interconectados de modo que a actividade de cada um ommatidium iniba a actividade dos outros ommatidia .

Podemos agora equacionar o comportamento de um ommatidium , através da equação do Limulus

n

f[ i ] = S a[ i,j ] f[ j ] + e[ i ]

J=1

Assim , numa região de uma rede de neurónios formais e nas circunstâncias em que não mais de um neurónio deve encontrar-se activo , há que enriquecer a arquitectura com uma estrutura adicional que iniba todos os neurónios processadores da região na presença de um neurónio dominante.

Olho do Limolus polyphemos(exibindo as suas Ommatidia)

 

 

 

Associação Linear

A memória de um sistema é auto-regulação que resulta da experiência.

A parte substâncial da memória humana é associativa, pois um acontecimento está relacionado a outro e ao recordarmo-nos somos levados a recordar de um segundo.

Existem dois tipos de memória a STM ( memória a curto prazo ) e a LTM ( memória a longo prazo );

A STM manifesta-se por períodos de segundos, minutos, talvez horas. Tem portanto um limite a um pequeno número de itens.Existe um número mágico o 7, mais ou menos dois, que foi caracterizado por George Miller. Apesar de a capacidade de três ou quatro itens serem as mais típicas.

O que é importante saber sobre a LTM é que esta é de longo prazo, pois a sua duração é superior a um dia e existem índicios de que são quase permanentes. A capacidade desta última memória encontra-se entre 1 000 000 000 e 10 000 000 000 bits.

A maioria dos neurocientistas creêm desde hà décadas que o mecanismo físico que suporta a memória está relacionado com a plasticidade das sinapses.

O primeiro cientista a propor a regra da aprendizagem foi Donald Hebb, em 1949, num grandioso livro de título, Organization of Behaviour , onde defende que a coincidência entre a excitação das células pré-sináptica e pós-sináptica é o factor crítico da aprendizagem:

"Quando o axónio da célula A excita a célula B e, repetidamente ou persistentemente, é responsável pela actividade da célula B, ocorre um processo de crescimento, ou uma alteração metabólica, tal que a eficiência da célula A entre as células que disparam B é incrementada."

Apesar de ideia de apredizagem por conjunção do estímulo é muito mais antiga, pois uma regra similar fora formulada por William James no seu livro, Psychology: Briefer Course, de 1892.

A lei de Hebb da aprendizagem refere-se apenas à conjunção de excitação. Como sabemos que a inibição é igualmente importante, à três outras conjunções possíveis: a excitação pré-sináptica com a inibição pós-sináptica, a inibição pré-sináptica com a excitação pós-sináptica e as inibições pré-sináptica.

Existe uma parte do córtex cerebral, designada hipocampo que aproveita a investigação dos mecanismos envolvidos na aprendizagem hebbiana. Este órgão desempenha um papel fundamental, mas ainda não esclarecido, na memória, em paraticular, uma lesão do hipocampo pode afectar severamente a memória.