Simulando Neurônios
Entendendo como neurônios funcionam e simulando seu comportamento
Introdução
O neurônio, componente fundamental do sistema nervoso, é uma célula que propaga impulsos nervosos, como se fossem cabos de energia do nosso corpo. Embora existam com diferentes formas, essa função dele se mantém. Mas como esse processo funciona? No texto de hoje, veremos como o sinal é propagado, além de mostrarmos simulações de modelo matemático.
Propagação do Impulso
A propagação do impulso se realiza principalmente por 2 elementos químicos: Sódio (Na) e Potássio (K). Os dois se encontram no seu formato iônico, isto é, com cargas positivas. As concentrações dessas duas substâncias se encontram diferentes dentro e fora da célula devido a um componente da membrana celular: as Bombas de Sódio e Potássio. A figura abaixo representa esse cenário.
Como podemos observar, há uma concentração maior de potássio dentro da célula, enquanto que há uma menor de sódio. Isso faz com que, naturalmente, o potássio saia da célula e o sódio entre (esse processo se chama difusão simples, é um fenômeno natural para igualar as concentrações internas e externas). Para manter essas concentrações, as bombas de sódio eliminam essa substância de dentro da célula e a bomba de potássio captura do meio externo. Essa diferença de concentração gera uma diferença de carga, que por sua vez gera o que chamamos de Potencial de Repouso (cerca de -65 milivolts [mV] nos neurônios), que é o potencial que a membrana possui normalmente.
Agora, o que acontece se a célula é excitada com uma corrente? Ela começa a propagar o impulso nervoso. Ela pode ser dividida em duas etapas: despolarização e repolarização.
I) Despolarização: o impulso abre os canais de sódio rapidamente. A entrada do sódio (carga positiva) faz com que o potencial da membrana aumente, despolarizando. Os canais de potássio também abrem, só que de forma mais lenta.
II) Repolarização: com a mesma velocidade de abertura, os canais de sódio ficam inativados, impedindo a entrada do sódio. No entanto, os canais de potássio continuam abrindo de forma lenta, eliminando potássio (carga positiva), fazendo o potencial da membrana diminuir. Após chegar um certo limite, os canais de potássio vão lentamente fechando, voltando para o potencial de repouso da célula. Abaixo, uma figura que representa o impulso completo:
Embora essas informações sejam bem confusas, vamos mostrar todo esse processo por meio de simulações!
Simulação
Existem diversos modelos matemáticos que tentam reproduzir o comportamento de um impulso nervoso. Abaixo, iremos apresentar as equações do modelo de Hodgkin-Huxley, 1952:
A única reação aceitável para essas formulas é a do gif abaixo:
Não se preocupe, caro leitor. Não iremos abordar esses modelos, só vamos mostrar a simulação.
Inicialmente, vamos ver como é a cara de um impulso nervoso:
Esse é o formato do impulso nervoso. A seta indica o momento onde o “neurônio” foi excitado. Nesse momento, começa a despolarização (área azul clara na figura). Assim que o potencial da membrana chega ao valor máximo (cerca de 40mV), começa o processo de repolarização, reduzindo para um valor de potencial inferior ao de repouso. Leva um certo tempo até voltar ao estado original, -65mV.
Lembra que o processo de despolarização tem uma rápida abertura e inativação dos canais de sódio, enquanto que na repolarização há a abertura gradativa dos canais de potássio? Então, vamos ver esse comportamento abaixo:
Podemos ver que, quase que no exato momento que é excitado, os canais de sódio começam a abrir de forma muito rápida. No entanto, eles começam a fechar rapidamente também. Os canais de potássio, por sua vez, demoram mais para abrir, mas demoram mais ainda para fechar, como havíamos explicado anteriormente.
Esse modelo matemático consegue descrever muito bem o comportamento dos neurônios. No entanto, há muitos outros modelos (mais complexos por sinal) que surgiram a partir desse trabalho.
No texto de hoje, entendemos como que se propaga um impulso nervoso em um neurônio. Mostramos também uma simulação que representa, quase que fielmente, o comportamento dessa célula. Algumas aplicações utilizam esses impulsos elétricos para controlar dispositivos, e já escrevemos dois textos sobre esse assunto: Interface Cérebro Máquina e Controlando Dispositivos com o Cérebro. Não esqueça de seguir nossas redes sociais!
Referência
[1] Freitas, Diogo. (2019). Plataforma para Análise do Sinal de EEG Aplicado ao ERD/ERS no Reconhecimento em Tempo Real da Imaginação do Movimento. 10.13140/RG.2.2.16048.81927.
