Leituras pela manhã - O incrível sentido do cheiro

O sentido do cheiro é de todos, o mais misterioso e fascinante: como detectamos nuances num cheiro; como é que um odor que pode até desencadear-se sem a presença do estímulo correspondente, consegue ser uma autêntica máquina de viajar no tempo; como o odor de uma pessoa nos atrai e o de outra nos repele; como é que a percepção de um odor é uma espécie de chefe de orquestra que põe imediatamente uma quantidade de estruturas cerebrais a reagir: a memória, a visão, a imaginação, as emoções, os sentimentos, as hormonas, o sistema límbico e sei lá mais o quê? Fascinante.


O nosso incrível sentido do cheiro

Como o nosso cérebro identifica um aroma pelos seus minúsculos traços moleculares é uma coisa maravilhosa .

BY ANN-SOPHIE BARWICH

Podemos dizer que o cérebro é o nosso órgão mais fotogénico. Graças à imagiologia moderna, vivemos no meio de uma explosão de dados cerebrais. Vejamos: podemos ampliar a conectividade do cérebro até ao nível molecular mais minucioso. Podemos rastrear células individuais, bem como populações de células inteiras. Podemos ligar e desligar neurónios como fazemos a um interruptor de luz. Podemos até arquitectar geneticamente o nosso caminho através dos traços da memória de um animal, para brincar com o seu comportamento. No entanto, mesmo com esses poderes, a maneira como o cérebro, em última análise, funciona, escapa-nos. Alguns neurocientistas vêem isso como uma crise existencial para a área.

Ainda assim, não diria que a neurociência está em crise. Só o parece porque muito do seu trabalho tem-se concentrado em teorias favoritas derivadas de alguns sistemas de estimação. E isso limitou a perspectiva do campo, literalmente. Veja-se o caso paradigmático da visão. A maior parte das pesquisas do século XX sobre o cérebro baseou-se na compreensão de como vemos e isso não foi um acidente.

A beleza cativante do sistema visual é a sua aparente exibição de lógica. O sistema visual dá-nos áreas especializadas no cérebro que criam e processam a nossa percepção de características sensoriais particulares. Isso inclui orientação, movimento, forma e cor. É quase como se pudéssemos mapear o mundo físico em estruturas neuronais discretas e ordenadas. Esse princípio do mapa cerebral também foi encontrado em outros sentidos, incluindo a audição. As frequências tonais alinham-se no córtex auditivo, de modo semelhantes às teclas de um piano.

Talvez esse recurso prove ser um bug para as teorias gerais da função cerebral. A dificuldade em mapear outras funções fisiológicas e mentais - como interocepção, recompensa e motivação ou percepção consciente - em estruturas neuronais discretas está em que, ao contrário da visão, nem todas essas actividades representam estruturas espaciais, por defeito. Em vez disso, podem representar uma medida relacional que conecta a constituição de um organismo com informações flutuantes do mundo.

O mapeamento é, sem dúvida, uma característica notável de muitos sistemas sensoriais e cognitivos. No entanto, pode ser apenas uma das muitas expressões materiais e não o princípio fundamental pelo qual o cérebro organiza a sua actividade neuronal. E se ampliássemos as nossas teorias para incluir o funcionamento de partes menos populares do cérebro?

Como defendo no meu novo livro, Smellosophy: What the Nose Tells the Mind, uma escolha óbvia é o olfato. O nosso olfato oferece um desafio intrigante para o paradigma do mapeamento na visão. O nariz é feito à medida para medir uma matriz química imprevisível no nosso ambiente, permitindo que o cérebro avalie quando pequenos traços moleculares mudam significados comportamentais para sinalizar prazer, perigo ou novidade.

Ramón y Cajal, um dos fundadores da neurociência, já havia reconhecido isso quando, no virar do século XX, chamou a atenção para o olfacto como um modelo exemplar para aprender como o cérebro dá sentido ao mundo. Embora o olfacto, para a maioria dos cientistas da época de Cajal, parecesse ser um sentido caprichoso e peculiar, pouco sofisticado - e, portanto, de pouco interesse para os estudos da cognição e da sua base biológica - Cajal acreditava que entender o olfacto nos daria uma visão melhor de outros sistemas sensoriais.

O motivo tem a ver com uma característica intrigante específica do sistema olfativo: bastam apenas duas sinapses para que as informações viajem do ar, pelo nariz, até o córtex central, nas profundezas do cérebro. Para pôr isso em perspectiva: no sistema visual, duas sinapses nem sequer nos tiram da retina. Não se consegue encontrar um caminho mais direto para colocar o cérebro em contato com o mundo do que o do olfacto!

EXPRESS TRACK: Two synapses send the neural signal straight from the air to the cortical core. Synaptic interface 1: so-called glomeruli in the olfactory bulb connecting axons of the sensory neurons from the epithelium and mitral cells picking up the signal. Synaptic interface 2: Axons of the mitral cells projecting to the olfactory cortex. (Image modified from Cajal’s drawing of the olfactory pathway.2 Courtesy of the Cajal Institute, Cajal Legacy, Spanish National Research Council (CSIC), Madrid, Spain)

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Esta proximidade com o mundo não significa que o nosso olfacto seja simples. A complexidade do cheiro é extraordinária. A composição química do seu contexto -falamos de centenas e centenas de moléculas- muda constante e rapidamente. O nariz apanha compostos voláteis transportados pelo ar que interagem com os seus receptores olfactivos (situados nos cílios dos neurónios sensoriais no epitélio nasal) de forma combinatória. Isso significa que diferentes receptores detectam diferentes partes de diferentes moléculas e que uma molécula interage com vários receptores por meio de diferentes recursos. A função do sistema olfactivo não é mapear substâncias químicas discretamente no espaço. Em vez disso, ele rastreia e calcula as estatísticas de um ambiente químico em mudança: quantos, em que concentração e com que frequência os produtos químicos co-ocorrem como uma nuvem molecular? (o nosso nariz é ajustado para detectar misturas de diferentes produtos químicos - o aroma de café, por exemplo, consiste em 800 compostos diferentes.) Basta considerar a capacidade estonteante do sistema: sem calcularmos todas as combinações possíveis de interações estrutura-receptor no cheiro (com uma molécula hipoteticamente activando 100 receptores), acabaríamos com um número maior do que o dos átomos na galáxia.

Só no final do séc. XX, os neurocientistas seguiram o conselho de Cajal. O olfacto sempre foi notoriamente difícil de investigar. Como muitas pessoas podem atestar pessoalmente, a experiência dos cheiros é inerentemente variável. As coisas podem ter um cheiro diferente não apenas entre pessoas diferentes, mas também para a mesma pessoa. 

Quando você experimenta uma taça de vinho tinto, por exemplo, pode apreciar o seu aroma dominante de cereja -até que alguém comente uma nota forte de baunilha na mesma taça de vinho. De repente, a cereja se move para o banco de trás da sua consciência e o aroma da baunilha entra em destaque -mesmo que você não o tenha notado antes. Como transformar essa natureza efémera e transitória de odores  num objecto de estudo científico mensurável, estável e comparável?

Linda Buck e Richard Axel orientaram os cientistas para o caminho que pode responder a essa pergunta com a descoberta dos receptores olfactivos. Os receptores olfactivos passaram a ser o membro estruturalmente mais diverso e considerável da maior família multigénica de receptores de proteínas no genoma dos mamíferos (os chamados receptores acoplados à proteína G - ou GPCRs). A sua notável diversidade e tamanho absoluto - os genes do receptor olfativo têm mais “armazenamento genético” do que o sistema imunológico, ocupando cerca de 4% do genoma dos mamíferos - chamaram a atenção de cientistas interessados ​​em mecanismos de recombinação de genes e diversificação evolutiva de processos biológicos. Como é que algumas entidades biológicas, como as proteínas, evoluíram para facilitar uma variedade de funções? A superfamília dos GPCRs orquestrou vários processos biológicos fundamentais, incluindo a visão, a detecção de neurotransmissores no cérebro e a regulação das respostas imunológicas.

Esses receptores acabaram por ser uma mina de ouro genética pela qual, junto com outros trabalhos sobre a organização do sistema olfatório, Buck e Axel receberam o Prémio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 2004. O olfacto, durante muito tempo a Cinderela dos sentidos, foi lançado no centro das atenções da corrente científica dominante. Como resultado, o cheiro surgiu como um modelo molecular promissor para pensar sobre os GPCRs -o alvo de cerca de metade de todos os estudos de drogas- e os princípios causais que governam suas interações funcionais. 

Por exemplo, quão ampla é a sintonia dessas proteínas? Alguns receptores respondem a uma gama mais ampla de características moleculares do que outros, e isso pode sugerir uma diferença genética? Como é que as diferenças genéticas entre os receptores se ligam à rede do cérebro (a genética do receptor é um impulsionador fundamental no desenvolvimento neuronal do sistema olfactório)? Além do mais, quais combinações de características moleculares podem bloquear ou mesmo aumentar a resposta dessas proteínas? A maneira como essas proteínas executam uma grande variedade de funções continua a ser um local de descoberta contínua.

Com apenas duas sinapses direcctas para o córtex, uma compreensão completa do cérebro olfactivo parecia iminente. No entanto, a aparente simplicidade do sistema olfactivo revelou-se enganadora. Hoje, três décadas após a descoberta do receptor, os mecanismos de percepção do odor continuam a confundir os pesquisadores. Em vez de chegar a um entendimento completo, simplesmente começamos a apreciar a complexidade oculta com a qual o cérebro dá sentido aos cheiros.

Os neurocientistas erraram ao confiar na visão como um guia de como o cérebro funciona. Organizar os cheiros de forma semelhante a um mapa pode soar como um erro. Cheiro de jasmim aqui e aroma de coentro ali? Mas essa abordagem rapidamente revela os seus limites. Com que características se mapearia potencialmente mais de um trilião de odores químicos no espaço neuronal? As cetonas, por exemplo, são colocadas ao lado dos aldeídos ou mais perto dos ésteres? E onde se coloca o indol, um composto orgânico cristalino de cheiro desagradável encontrado no alcatrão de carvão e nas fezes?

Pesquisas recentes sobre o sistema olfactivo revelam que esse design inspirado no sistema visual está errado. O sistema olfactivo não é organizado de uma maneira espacial lógica, como outros córtexes sensoriais. Em vez de um mapa, temos um mosaico de sinais aparentemente aleatórios e complicados. Em contraste com a visão de cores e do som, o estímulo do olfacto é multidimensional e não de baixa dimensão. A percepção da cor é baseada no espectro visível das ondas eletromagnéticas de luz e a percepção auditiva é baseada na frequência das ondas de pressão do ar, que podem ser mapeadas linearmente aos correlatos neuronais. Mas a qualidade do odor está ligada a produtos químicos estruturalmente muito diversos. Essas substâncias químicas têm cerca de 5.000 características moleculares, não relacionadas de nenhuma maneira directa com a qualidade do odor, que os receptores olfactivos (dos quais os humanos têm cerca de 400 tipos) captam para identificá-los.

Como deveria o cérebro humano usar o espaço neuronal para organizar essa quantidade de informações químicas não espaciais é um problema que ainda não foi resolvido. De certa forma, o modo como o cérebro processa a química complexa dos cheiros está mais perto de fazer da matemática que da cartografia.

Lembre-se da capacidade de codificação combinatória pelos receptores. Os odores são calculados a partir de um mosaico amplamente distribuído de sinais: Tudo o que o cérebro “vê” (na falta melhor termo) é o que os receptores acendem, quantos deles, por quanto tempo e em que combinação e proporção. Com cerca de 400 tipos de receptores participando de uma codificação combinatória de 5.000 parâmetros moleculares, acaba sendo uma tarefa bastante sofisticada.

A verdadeira questão que devemos fazer é: que tipo de informação sensorial é captada e interpretada por meio do sistema olfactivo que pode ser ligada a correlatos neurais? O que caracteriza os encontros olfactivos “na natureza” (fora da administração discreta de estímulos simples no laboratório) é a imprevisibilidade inerente do estímulo químico em seu ambiente e sua interação com a interface sensorial. Esse ponto tem implicações para nossa a compreensão geral de como o cérebro funciona.

O sistema olfativo não requer um mapa que espelhe algumas características físicas fixas do mundo porque o seu estímulo químico está constantemente em fluxo. O cérebro, com base na memória, reconhece padrões na composição química do estímulo olfactivo. Esta é uma maneira do sistema olfativo chegar ao primeiro plano, o que significa a introdução de compostos desconhecidos (e potencialmente relevantes do ponto de vista comportamental) num ambiente que de outra forma seria constante. Um princípio bastante semelhante de detecção de novidades no reconhecimento de padrões aplica-se a outros sistemas sensoriais que também não são estritamente mapeáveis. Considere-se os sistemas interoceptivos, que regulam os processos dentro de um organismo, como a frequência cardíaca e as alterações hormonais.

Prestar atenção às peculiaridades do cérebro pode, em outras palavras, ser perspicaz e não contraproducente. Essas idiossincrasias, como a estranha complexidade e variabilidade do cheiro, são agora vitais para a compreensão do cérebro - como ele manobra um organismo por meio de uma paisagem de combinações moleculares em rápida mudança. O processamento por detrás disso é altamente dinâmico e radicalmente rápido para responder como, o quê e quando escolher. O cérebro não é simplesmente uma tela de projeção. É fundamentalmente um dispositivo de reconhecimento de padrões. Rastrear as estatísticas químicas de um ambiente em constante mudança requer uma solução simples para um problema complexo - um mapa excessivamente especializado pode até ser desvantajoso aqui. Afinal, os nossos cérebros evoluíram dos nossos corpos, não o contrário.

(tradução minha)