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Ciência e centavos

Como uma bióloga e um físico descobriram a fórmula que explica as dobras do cérebro
Suzana Herculano-Houzel 
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ILUSTRAÇÃO: SARAH YAKAWONIS_2015

Pingue anestésico sobre o córtex humano e, puf!, lá se vai a consciência, nosso bem mais caro, na demonstração mais eloquente que conheço de como o cérebro em funcionamento é a base de tudo o que somos, sentimos e fazemos. Mas ter um cérebro não é prerrogativa nossa, e sim de todos os animais que não são esponjas. O que torna o nosso diferente, então, capaz até mesmo de ponderar sobre si mesmo, a ponto de se considerar superior aos demais?

“Cem bilhões de neurônios, dez vezes mais células gliais, um córtex cerebral que se dobra conforme ele ganha neurônios, custo energético extraordinariamente elevado, um cérebro sete vezes maior do que deveria ser.” Por muito tempo, esses foram considerados “fatos” sobre o cérebro humano, encontrados no capítulo introdutório de qualquer livro-texto de neurociência e no parágrafo de abertura de muitos artigos científicos. Artigos, aliás, realizados ao custo de várias dezenas de milhares de dólares, cada um. Sem esses recursos não seria possível bancar os métodos genéticos, moleculares e eletrofisiológicos necessários para buscar explicações para nossa capacidade cognitiva singular, incomparável à dos outros animais: genes únicos à nossa espécie? Sinapses mais eficazes? Metabolismo acelerado? Quase sempre são trabalhos estrangeiros – porque ciência extraordinária requer recursos extraordinários, que nós, no Brasil, não temos. Por muito tempo, a norma foi eles produzirem por lá, e a gente, com sorte, reproduzir por aqui. É perfeitamente seguro dizer que a maior parte do conhecimento científico ensinado no Brasil é importada.

Quem diria, portanto, que cada um desses “fatos” mais básicos sobre o cérebro seria desbancado por ciência brasileira – e, como não poderia deixar de ser em terras tupiniquins, a um custo médio irrisório, de menos de 6 mil dólares por artigo publicado, cada um descrevendo uma nova descoberta inédita. Conseguimos fazer ciência que os estrangeiros consideram extraordinária o suficiente para ser publicada até na Science, talvez a mais prestigiosa revista científica. Como, se não temos recursos extraordinários? A resposta envolve uma boa dose de mágica.

 

Diz a lenda que cientista é um bicho objetivo, perfeitamente racional, que só acredita vendo os fatos. Uma dose saudável de ceticismo é, realmente, uma das características mais úteis para um cientista – mas, na prática, muitos são tão crédulos quanto o público não praticante. Foi assim que vários mitos se propagaram e prosperaram entre os próprios neurocientistas, contentes em apenas repetir “fatos” contados a eles, sem questionar suas fontes.

Ao menos o mito de que usamos apenas 10% do cérebro é retumbantemente negado pelos neurocientistas (usamos o cérebro todo, o tempo todo, mesmo quando dormimos; apenas o usamos de maneiras diferentes). Mas, na primeira pesquisa que fiz quando voltei ao Brasil depois de formada, descobri que 60% do público carioca que cursou a universidade acreditava só usar 10% do seu cérebro. Como se os outros 90% fossem reserva – ou, pensei, compostos não de neurônios, mas de células gliais, responsáveis por dar suporte funcional e alimentação às células neuronais. Afinal, não era quase isso o que qualquer livro básico de neurociência dizia: dez vezes mais glia do que neurônios?

Fui em busca da fonte para esse número, mas ela não existia. Da mesma forma, descobri que os 100 bilhões de neurônios, número suspeitamente redondo, eram apenas uma estimativa de ordem de grandeza, e não resultado de medidas reais. Como em um jogo de telefone sem fio, estimativas citadas erroneamente logo se transformavam em fatos. Revirando a literatura, espantei-me em ver que não conhecíamos o mais básico sobre o cérebro humano: de quantos neurônios ele é feito e como esse número se compara com o cérebro de outros animais. Afinal, se neurônios são a unidade básica de processamento de informação no cérebro, talvez a razão para nossa capacidade cognitiva inigualável fosse um número também incomparável de neurônios, sobretudo no córtex cerebral, parte mais externa do cérebro e sítio do raciocínio, do planejamento, da compreensão das intenções alheias. Mas esses dados não existiam: já estávamos no século XXI, a neurociência era capaz de manipular moléculas no cérebro e revelar suas conexões – mas ainda não tínhamos os dados mais fundamentais a respeito da quantidade de neurônios nos cérebros.

Tampouco se sabia explicar a razão de uma das características mais óbvias do cérebro humano: as dobras do córtex cerebral. A teoria dizia que, tanto na gestação quanto na evolução de espécies com um cérebro maior, o córtex cerebral cresce para os lados, como um lençol se esticando sobre a cama, conforme ele ganha neurônios. Mas como existe um crânio de volume limitado ao seu redor, o tal lençol cortical teria que crescer como em um cesto de roupa suja; assim, o acréscimo de neurônios faria esse córtex ficar cada vez mais dobrado dentro do crânio. Ao mesmo tempo, a teoria dizia que dobrar-se como um lençol em expansão seria também a maneira de permitir um córtex com mais neurônios. Intuitivamente, faz todo o sentido. Mas a teoria, ensinada como fato nos livros e cursos de pós-graduação, não passava de intuição: já que não se conhecia de quantos neurônios os cérebros de diferentes espécies eram feitos, não havia dados que relacionassem o número de neurônios em córtices cerebrais ao seu grau de dobras. Para piorar, tampouco se conhecia um mecanismo físico e biológico que explicasse como ganhar mais neurônios causaria as dobras do córtex.

E depois, havia um problema óbvio, mas convenientemente deixado de lado. Se o córtex se dobra (sabe-se lá como) conforme ele ganha neurônios, então um córtex mais dobrado deve ter mais neurônios do que outro menos dobrado. E se a espécie humana é a mais cognitivamente capaz, ela deveria ser também a que possui mais neurônios no córtex, e portanto o córtex mais dobrado. Mas não é. O córtex do elefante é duas vezes mais dobrado do que o nosso, com duas vezes mais superfície escondida dentro das suas dobras. Várias baleias também possuem um córtex maior e mais dobrado do que o humano. Até mesmo o córtex de golfinhos, menor do que o nosso, é mais dobrado. Se o córtex humano não é o mais dobrado de todos, como poderia ser o córtex que tem mais neurônios?

A razão do paradoxo era simples: não sabíamos o básico sobre o cérebro. Nem sobre o cérebro humano, nem sobre outros, mais simples, como o de ratos e camundongos. Achávamos que sabíamos que cérebros maiores e mais dobrados sempre têm mais neurônios – mas na verdade não tínhamos nenhuma informação a respeito. Seria necessário voltar ao início e descobrir de quantos neurônios cérebros diferentes são feitos.

O método tradicional para contar células diretamente em fatias finíssimas de cérebros era ótimo para estruturas simples, mas não prestaria para cérebros inteiros, altamente heterogêneos em sua distribuição de células. A solução que inventei foi dissolver, literalmente, essa heterogeneidade: destruir a estrutura das células, preservando a dos núcleos celulares, de modo a transformar o cérebro em uma sopa de núcleos livres. Como cada célula tem um e somente um núcleo, contar núcleos seria semelhante a contar células – mas muito mais prático, rápido e sem erros, porque basta agitar a sopa para tornar a distribuição de núcleos perfeitamente homogênea. Assim, basta contar umas quatro amostras da sopa ao microscópio e, em coisa de quinze minutos, é possível saber quantas células aquele cérebro, ou parte do cérebro, possuía antes de ser transformado em sopa. Funciona lindamente, e é um processo tão rápido que em dez anos já determinamos a composição celular do cérebro de mais de 100 espécies. O mais importante, contudo, e decisivo para tornar a empreitada viável é outro aspecto desse método: ele é barato.

 

O ano era 2003, e eu não tinha laboratório, muito menos financiamento; apenas a certeza de que os conhecimentos mais básicos da neurociência ainda estavam por ser escritos – e eu sabia como fazê-lo. Propus ao Roberto Lent, então chefe do meu departamento na Universidade Federal do Rio de Janeiro, a ideia bizarra de dissolver cérebros para contar neurônios, e ele pronta e generosamente me ofereceu espaço em seu laboratório. Meus primeiros pedidos de financiamento ao CNPq, o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, e à Faperj, a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro, foram imediatamente recusados, como eu esperava que fossem: eu tinha uma ideia, mas não o currículo nem as publicações prévias que o establishment gosta de ver. O trabalho somente deslanchou em 2004, graças a um pequeno auxílio da Faperj voltado especificamente para jovens cientistas, chamado Primeiros Projetos.

Pequeno, mesmo: eram 28 mil reais para custear dois anos de trabalho, pouco mais de mil reais por mês. Mas como tudo de que eu precisava era vidraria, alguns reagentes, um anticorpo e um microscópio emprestado, o pequeno auxílio foi suficiente para montar meu próprio laboratório e produzir os primeiros resultados, em seis espécies de roedores (começando com os inevitáveis ratos e camundongos, prontamente disponíveis à maioria dos laboratórios) – e para começar a atrair a atenção de pesquisadores internacionais, que viam, pela primeira vez, dados sobre a quantidade de células com que se constrói um cérebro.

Até as primeiras publicações saírem, era extremamente excitante pensar “Eu sei algo sobre o cérebro de ratos, camundongos e capivaras que ninguém mais sabe”. Mas essa empolgação do conhecimento exclusivo rapidamente passa. Não basta produzir conhecimento novo; é preciso divulgá-lo e fazer com que ele chegue aos olhos e ouvidos daqueles que podem usá-lo como trampolim para outras descobertas.

Ao longo dos dez anos seguintes, então, adotei a estratégia do Paulo Coelho para tornar seus livros conhecidos: ele ia de livraria em livraria convertendo livreiros, eu ia de congresso em congresso conquistando novos colaboradores mundo afora – nos Estados Unidos, África do Sul, Alemanha, Austrália, Canadá, República Tcheca. Cada novo colaborador não só me oferecia cérebros de novas espécies para estudar, como ainda servia de multiplicador dos novos achados, espalhando nossas descobertas muito além do que os artigos publicados conseguiriam fazer.

E eram descobertas fundamentais, elementares, que hoje já começam a constar nas novas edições dos livros-texto de neurociência e no parágrafo inicial de artigos científicos. Agora sabemos que cérebros de mamíferos não são todos feitos da mesma maneira, versões maiores ou menores uns dos outros. Dois cérebros de mesmo tamanho, como de um chimpanzé e de uma vaca, não têm necessariamente o mesmo número de neurônios (o do chimpanzé tem cerca de cinco vezes mais neurônios, o que faz sentido dado seu comportamento mais rico e flexível). Cérebros enormes não têm necessariamente mais neurônios do que cérebros menores: o córtex cerebral do elefante, duas vezes maior do que o nosso, é feito de apenas um terço do número de neurônios encontrados em nosso córtex – 16 bilhões de neurônios no nosso, nem mesmo 6 bilhões no deles. O cérebro humano não é extraordinário, ao menos não no sentido literal de ser fora do comum, uma exceção às regras: ele é apenas um cérebro de primata grande, cujo custo calórico elevado é na verdade apenas o que seria esperado, proporcional ao seu grande número de neurônios.

Ainda assim, o cérebro humano é inigualável em seu número de neurônios corticais, o que propomos ser a base mais elementar para nossa superioridade cognitiva. Quem mais perto chega dos nossos 16 bilhões são gorilas e orangotangos, com cerca de 9 bilhões, depois chimpanzés e elefantes, com cerca de 6 bilhões. Pelas nossas estimativas, mesmo as baleias não devem passar deste último número. Girafas, porcos e macacos possuem entre 1 e 2 bilhões de neurônios corticais; a grande maioria dos mamíferos fica bem abaixo de 1 bilhão. Como nossa espécie chegou ao maior cérebro primata com esse número de neurônios que nenhum outro animal possui foi por muito tempo um mistério da evolução para o qual nosso trabalho também apontou a saída: a invenção da cozinha por nossos antepassados, cerca de 1,5 milhão de anos atrás. Com uma dieta crua, precisaríamos passar mais de nove horas por dia nos alimentando a fim de conseguir as calorias necessárias para manter vivos tantos neurônios. Ao usar o fogo, começamos a digerir o alimento – a quebrar suas moléculas – antes mesmo de ingeri-lo, aumentando a eficácia do processo e a quantidade de energia absorvida a cada bocado. Passando do cru ao cozido, subitamente se tornou possível não só manter energeticamente um cérebro com cada vez mais neurônios como ainda ter tempo livre para usá-lo.

Nossas descobertas já foram citadas mais de 2 500 vezes em artigos científicos nos últimos dez anos, e a palestra TED em que eu as apresento para o grande público já passou de 1,7 milhão de visualizações. Certamente não detenho mais a exclusividade dos conhecimentos que meu laboratório gera – e acho isso ótimo.

 

E o que dizer sobre as dobras do córtex cerebral, afinal? Elas aumentam com o número de neurônios corticais e/ou permitem que esse número aumente, como dizia a intuição tornada teoria? Dez anos depois, tínhamos publicado dados suficientes sobre 38 espécies de mamíferos para finalmente testar essas hipóteses. De férias na praia em 2014, ao cruzar os dados sobre números de neurônios no córtex e o grau de dobras da superfície cortical de várias espécies, vi que as duas hipóteses eram claramente falsas. O córtex do elefante é duas vezes mais dobrado do que o humano, embora tenha apenas um terço do nosso número de neurônios; o córtex do babuíno é exatamente tão dobrado quanto o do porco, embora o primeiro possua dez vezes mais neurônios abaixo da sua superfície. Nem dobras são necessárias para permitir mais neurônios, nem ter mais neurônios faz o córtex se dobrar mais.

O que causa as dobras, então? Entra em cena Bruno Mota, físico mineiro com Ph.D. em topologia do universo (que ele explica ser semelhante à topologia do cérebro), que se tornou pós-doutorando em meu laboratório e hoje é também professor da UFRJ. Há dez anos temos papos divertidíssimos – e iluminadores – comparando nossas perspectivas distintas sobre os mesmos assuntos. A sua visão de mundo, típica de um físico, considera que sistemas, mesmo biológicos, devem sempre ser otimizados e ter a configuração matematicamente ideal; minha ótica biológica, ao contrário, lembra que ser bom o suficiente já basta, desde que o sistema funcione.

De volta das férias, mostrei ao Bruno que as dobras do córtex não tinham uma relação simples com o número de neurônios corticais. O que chegava mais perto de uma relação universal era simplesmente aquela entre a superfície total do córtex (incluindo aquela escondida dentro das suas dobras) e a superfície exposta no topo das dobras – mas, ainda assim, as várias exceções conhecidas estavam lá: o córtex do peixe-boi dobrado de menos para seu tamanho, o de várias baleias e golfinhos dobrado de mais. Apesar das exceções, o gráfico mostrava que, à medida que aumentava o tamanho da superfície exposta do cérebro, ao passarmos de uma espécie para outra, cresciam mais do que proporcionalmente as dimensões da superfície total do córtex, se ele pudesse ser “esticado”. Do ponto de vista matemático, isso se expressava numa “lei de potência de expoente 1,25”. O cérebro do físico, com sua bagagem própria de fatos mais ou menos úteis e muito diferente da bagagem da bióloga, imediatamente traduziu o que via no gráfico em um comportamento de outro objeto bem conhecido por ele. “O córtex é como uma bolinha de papel!”, Bruno exclamou.

Eu via engrenagens girando em seu cérebro enquanto ele olhava fixamente o gráfico e revirava seus conhecimentos. Papel amassado vira bolinhas conforme ele se deforma sob a pressão das nossas mãos, perdendo energia, e assume a configuração de menor energia livre, e portanto mais estável. É por isso que, quando se para de aplicar força, o papel continua amassado. Bruno suspeitou que o mesmo acontecia com o córtex cerebral conforme ele crescia dentro do crânio sob uma série de forças – novas células pressionando as outras, o liquor empurrando tudo para fora, a pressão atmosférica empurrando tudo para dentro. Físicos, sobretudo os bem versados em matemática como ele, gostam de encontrar equações que descrevem fenômenos naturais – e lá se foi Bruno tentar transformar em fórmula o que sabíamos da biologia: que as fibras do cérebro se deformam sob pressão; que o córtex tem superfície e espessura variáveis no desenvolvimento e entre espécies; que a superfície do córtex, como a do papel e ao contrário de massinha de modelar, se mantém íntegra mesmo quando as dobras se encostam.

Não mais do que algumas semanas depois Bruno chega com aquele olhar animado de físico-que-resolveu-a-matemática no rosto e uma fórmula na cabeça. No primeiro papel de rascunho que acha em minha mesa, ele escrevinha a dedução da equação que descreve a minimização da energia livre do volume do córtex, depois o termo da superfície. É uma matemática que eu surpreendentemente consigo acompanhar do começo ao fim, mesmo que meu currículo escolar carioca tenha sido deficiente em cálculo. A fórmula final é lindamente simples: AT x T1/2 = k x AE5/4. Em língua de gente, isso significa que, a cada instante do desenvolvimento de um cérebro, a forma mais energeticamente favorável do córtex (e que portanto tende a acontecer espontaneamente) é aquela que mantém uma relação constante entre, de um lado, a área total do córtex cerebral (AT) e sua espessura (T1/2) e, de outro, a superfície exposta (AE). Ou seja: mais amassado quanto maior for sua superfície e menor for sua espessura.

Se a fórmula se aplicava ao córtex? Podíamos verificar na hora: era só abrir a tabela de dados, calcular o produto AT x T1/2 e plotá-lo em função de AE. A expectativa era enorme. A resposta poderia estar ali. E estava mesmo: diante dos nossos olhos, e pela primeira vez na história da neurociência, todos os pontos se alinhavam. As exceções haviam sumido porque a nossa fórmula, que previa a conformação mais estável do córtex, considerava também a espessura do córtex além das duas áreas que nos interessavam – a superfície exposta de um cérebro “dobrado” e a superfície total de um córtex “esticado”. Como nos filmes, Bruno e eu nos olhamos, incrédulos, e os devidos high five, abraços e pulinhos de alegria se seguiram. Grandes e pequenos, lisos e dobrados, todos os cérebros de todas as espécies disponíveis obedecem à mesma regra, sem exceções. Não importa o número de neurônios que formam um córtex, e sim a área e a espessura formada conforme esses neurônios se espalham: é dependendo delas, e somente delas, que o córtex se dobra, conforme a cada instante ele assume a conformação de menor energia livre. Um dos aspectos mais evidentes da morfologia do cérebro, quem diria, é física pura.

Se é física pura, então a mesma fórmula deveria descrever o grau de dobras de bolinhas de papel, dependendo somente da sua superfície e espessura. Como variá-las? Pensei em comprar papéis diferentes, e já estava vasculhando minha lista mental de papelarias conhecidas quando me toquei da solução óbvia: bastava começar com folhas de papel A4 e ir cortando-as ao meio para variar sua superfície, e depois empilhar números diferentes de folhas, antes de amassá-las, para variar sua espessura. Passei a tarde fazendo bolinhas de papel na mesa de jantar e só levantei quando já tinha amassado e medido 66 delas, em seis séries completas de onze bolinhas cada. O veredito: funcionava. O córtex cerebral, o órgão nobre cujo funcionamento gera aquela consciência que evanesce com uma gotinha de anestésico, se dobra como uma folha de papel.

Um ano depois dos gráficos feitos nas férias na praia, o artigo descrevendo nossos achados foi rejeitado pela Nature, mesmo com bons pareceres externos. Prestes a sair de férias, resolvi submeter o artigo à Science só para não perder tempo, esperando na volta encontrar o e-mail formal de sempre dizendo, no melhor dos casos, que “os revisores não acharam o trabalho lá grandes coisas, mas quem sabe se você refizer tudo a gente reconsidera…”. As férias se passaram, e nada. Dois meses depois, para meu espanto, chegou um e-mail tão raro que eu li e reli várias vezes: era a assistente editorial dizendo que a Science tinha interesse em publicar nosso artigo – e, aliás, assinem aí o termo de consentimento. Demos sorte: nosso artigo parara na mão de dois pareceristas efusivamente entusiásticos, que usaram as palavras wonderful e very impressive. Tínhamos um artigo 100% brasileiro na , o sonho de consumo de todo cientista – e com o gostinho especial de saber que é possível, sim, fazer ciência de ponta em terras tupiniquins. Publicado ao lado de artigos descrevendo estudos moleculares caríssimos, o nosso era tão low tech que uma das figuras que o ilustrava, com as medidas das bolinhas de papel amassadas, tinha sido feita na minha mesa de jantar.

 

É um gosto bom que deixa um sabor amargo no final. Estamos reescrevendo os livros-texto de neurociência e publicando na Science exatamente no momento em que a ciência brasileira está falida. No momento, meu laboratório, bastante bem financiado em termos brasileiros, tem dinheiro somente no papel: com recursos governamentais cortados, nem o CNPq, nem a Faperj têm como nos repassar (nem a nós, nem a ninguém, aliás) os auxílios aprovados. E somente em termos brasileiros, mesmo, porque os auxílios aqui são um tanto miseráveis. Os quase 800 mil reais que recebemos ao longo dos últimos dez anos podem parecer confortáveis, mas se traduzem em uma média de 6 mil reais por mês ou um custo médio miserável de nem mesmo 6 mil dólares por artigo publicado (e já são 45). Para não mandar para casa os jovens cientistas que trabalham comigo nos mestrados e doutorados que tanto enchem a boca do governo, já tirei mais de 15 mil reais do bolso, esperando um dia poder ser reembolsada. Acabo de recusar alunos estrangeiros porque, mesmo que as bolsas sejam pagas, não posso garantir que teremos recursos para custear suas pesquisas.

Como eu disse, só fazendo mágica – e cheguei ao limite da minha cartola. Em terra brasilis, fazer ciência de ponta requer virar muambeira para não pagar os preços abusivos do mercado nacional e taxas astronômicas de importação (ainda do tempo em que se achava que isso incentivaria a nossa indústria), inventar truques para reaproveitar material descartável e reagentes, aprender contabilidade e administração na marra, e ainda tirar do chapéu um milagre da multiplicação de horas para dar conta de ser professor, gerente de projetos, contador, secretário, psicólogo, relações-públicas, técnico de informática, bombeiro hidráulico, agente de viagens e eletricista – além de cientista, claro.

Aos meus alunos estrangeiros, quando eles começam a desanimar porque todos os quinze membros do laboratório temos que compartilhar o mesmo único jogo de pipetas, porque a internet caiu pela décima vez na semana ou o banheiro está imundo porque a universidade não tem fundos para pagar a limpeza, explico que se eles aprenderem a fazer ciência nessas condições estarão prontos para dar um show quando forem contratados em seus países de origem.

Mas até mesmo conseguir fazer muito com pouco é um problema: corremos o risco de o governo comemorar nossa vitória como sua e achar que não precisamos de mais recursos do que já temos. É um argumento cretino que já ouvi como explicação para o motivo pelo qual meu laboratório, que por oito anos ocupou um único módulo de míseros 24 metros quadrados na UFRJ, não precisava de uma área maior: “Ela já produz tanto, não precisa de mais espaço.” Se produzimos tanto em tão pouco espaço e com tão poucos recursos, imagine se nossas perguntas não precisassem mais ser limitadas pelo pouco apoio financeiro que recebemos do governo ou pelas leis arcanas de importação. Quantos outros artigos na Science não poderíamos ter, quantos outros conhecimentos não poderíamos exportar?

Fazer mágica é bom, mas cansa. Queria poder ser apenas cientista.

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