Existem muitos medicamentos que os anestesiologistas podem usar para induzir a inconsciência em pacientes. Exatamente como esses medicamentos fazem o cérebro perder a consciência tem sido uma questão de longa data, mas os neurocientistas do MIT agora responderam a essa pergunta para um medicamento anestésico comumente usado.

Usando uma nova técnica para analisar a atividade neuronal, os pesquisadores descobriram que o medicamento propofol induz inconsciência ao interromper o equilíbrio normal do cérebro entre estabilidade e excitabilidade. O medicamento faz com que a atividade cerebral se torne cada vez mais instável, até que o cérebro perca a consciência.

“O cérebro tem que operar neste fio da navalha entre a excitabilidade e o caos. Ele tem que ser excitável o suficiente para que seus neurônios influenciem uns aos outros, mas se ele fica muito excitável, ele gira em direção ao caos. O propofol parece interromper os mecanismos que mantêm o cérebro nessa estreita faixa operacional”, diz Earl K. Miller, o Professor Picower de Neurociência e membro do Instituto Picower de Aprendizagem e Memória do MIT.

As novas descobertas, relatadas hoje na Neuron , podem ajudar os pesquisadores a desenvolver melhores ferramentas para monitorar pacientes submetidos à anestesia geral.

Miller e Ila Fiete, professora de ciências cognitivas e cerebrais, diretora do K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience Center (ICoN) e membro do McGovern Institute for Brain Research do MIT, são os autores seniores do novo estudo. O aluno de pós-graduação do MIT Adam Eisen e o pós-doutorado do MIT Leo Kozachkov são os principais autores do artigo.

Propofol é um medicamento que se liga aos receptores GABA no cérebro, inibindo neurônios que têm esses receptores. Outros medicamentos anestésicos agem em diferentes tipos de receptores, e o mecanismo de como todos esses medicamentos produzem inconsciência não é totalmente compreendido.

Miller, Fiete e seus alunos levantaram a hipótese de que o propofol, e possivelmente outros medicamentos anestésicos, interferem em um estado cerebral conhecido como "estabilidade dinâmica". Nesse estado, os neurônios têm excitabilidade suficiente para responder a novas informações, mas o cérebro é capaz de recuperar o controle rapidamente e evitar que eles fiquem excessivamente excitados.

Estudos anteriores sobre como os medicamentos anestésicos afetam esse equilíbrio encontraram resultados conflitantes: alguns sugeriram que, durante a anestesia, o cérebro muda para se tornar muito estável e sem resposta, o que leva à perda de consciência. Outros descobriram que o cérebro se torna muito excitável, levando a um estado caótico que resulta em inconsciência.

Parte da razão para esses resultados conflitantes é que tem sido difícil medir com precisão a estabilidade dinâmica no cérebro. Medir a estabilidade dinâmica conforme a consciência é perdida ajudaria os pesquisadores a determinar se a inconsciência resulta de muita estabilidade ou de pouca estabilidade.

Neste estudo, os pesquisadores analisaram gravações elétricas feitas nos cérebros de animais que receberam propofol durante um período de uma hora, durante o qual eles perderam gradualmente a consciência. As gravações foram feitas em quatro áreas do cérebro que estão envolvidas na visão, processamento de som, consciência espacial e função executiva.

Essas gravações cobriram apenas uma pequena fração da atividade geral do cérebro, então, para superar isso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada delay embedding. Essa técnica permite que os pesquisadores caracterizem sistemas dinâmicos a partir de medições limitadas, aumentando cada medição com medições que foram registradas anteriormente.

Usando esse método, os pesquisadores conseguiram quantificar como o cérebro responde a estímulos sensoriais, como sons, ou a perturbações espontâneas da atividade neural.

No estado normal, desperto, a atividade neural aumenta após qualquer entrada, então retorna ao seu nível de atividade basal. No entanto, uma vez que a dosagem de propofol começou, o cérebro começou a demorar mais para retornar à sua linha de base após essas entradas, permanecendo em um estado excessivamente excitado. Esse efeito se tornou cada vez mais pronunciado até que os animais perderam a consciência.

Isso sugere que a inibição da atividade neuronal pelo propofol leva a uma instabilidade crescente, o que faz com que o cérebro perca a consciência, dizem os pesquisadores.

Para ver se eles poderiam replicar esse efeito em um modelo computacional, os pesquisadores criaram uma rede neural simples. Quando eles aumentaram a inibição de certos nós na rede, como o propofol faz no cérebro, a atividade da rede se desestabilizou, similar à atividade instável que os pesquisadores viram nos cérebros de animais que receberam propofol.

“Observamos um modelo de circuito simples de neurônios interconectados e, quando detectamos inibição nele, vimos uma desestabilização. Então, uma das coisas que estamos sugerindo é que um aumento na inibição pode gerar instabilidade, e isso está subsequentemente ligado à perda de consciência”, diz Eisen.

Como Fiete explica, “Esse efeito paradoxal, no qual o aumento da inibição desestabiliza a rede em vez de silenciá-la ou estabilizá-la, ocorre por causa da desinibição. Quando o propofol aumenta o impulso inibitório, esse impulso inibe outros neurônios inibitórios, e o resultado é um aumento geral na atividade cerebral.”

Os pesquisadores suspeitam que outros medicamentos anestésicos, que agem em diferentes tipos de neurônios e receptores, podem convergir para o mesmo efeito por meio de mecanismos diferentes — uma possibilidade que eles agora estão explorando.

Se isso for verdade, pode ser útil para os esforços contínuos dos pesquisadores em desenvolver maneiras de controlar com mais precisão o nível de anestesia que um paciente está experimentando. Esses sistemas, nos quais Miller está trabalhando com Emery Brown, o Professor Edward Hood Taplin de Engenharia Médica no MIT, funcionam medindo a dinâmica do cérebro e, em seguida, ajustando as dosagens de medicamentos de acordo, em tempo real.

“Se você encontrar mecanismos comuns em ação em diferentes anestésicos, você pode torná-los todos mais seguros ajustando alguns botões, em vez de ter que desenvolver protocolos de segurança para todos os diferentes anestésicos, um de cada vez”, diz Miller. “Você não quer um sistema diferente para cada anestésico que eles vão usar na sala de cirurgia. Você quer um que faça tudo.”

Os pesquisadores também planejam aplicar sua técnica para medir a estabilidade dinâmica a outros estados cerebrais, incluindo transtornos neuropsiquiátricos.

“Esse método é muito poderoso e acho que será muito emocionante aplicá-lo a diferentes estados cerebrais, diferentes tipos de anestésicos e também outras condições neuropsiquiátricas, como depressão e esquizofrenia”, diz Fiete.

A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval, o Instituto Nacional de Saúde Mental, o Instituto Nacional de Distúrbios Neurológicos e Derrame, a Diretoria de Ciência da Computação e Informação e Engenharia da Fundação Nacional de Ciências, o Centro Simons para o Cérebro Social, a Colaboração Simons sobre o Cérebro Global, a Fundação JPB, o Instituto McGovern e o Instituto Picower.