Desde a descoberta, por Luigi Galvani, em 1784, que o tecido nervoso é eletricamente excitável, a neurofisiologia lentamente começou a desvendar as propriedades da bioeletrogênese, ou seja, a geração de impulsos elétricos em nervos e músculos. Este trabalho foi realizadoi ao longo do século XIX, por cientistas como Emil du Bois-Reymond, que, ajudados por sucessivos desenvolvimentos técnicos que permitiam a medida de correntes elétricas cada vez menores, passaram a estudar com crescente detalhe as propriedades da atividade elétrica do sistema nervoso.
|
Luigi Galvani |
Emil Du Bois-Reymond |
Surgiram, então, naturalmente, três perguntas relacionadas às funções centrais (medula espinhal e encéfalo):
Como vemos, as indagações de pesquisa dessa época (por volta de 1840) buscavam uma convergência com o que estava sendo descoberto com relação à constituição celular do SNC, as teorias em voga sobre a propagação das correntes de ação, e as pesquisas sobre localização cerebral, estudadas com o auxílio de estimulações elétricas localizadas e por lesões experimentais e dados clínicos.
O registro da atividade cerebral exigia a detecção de correntes e potenciais elétricos uma ou duas ordens de magnitude mais débeis do aqueles registrados em nervos e músculos, por isso ele teve que esperar por um maior progresso na eletrotécnica. Isso veio a ocorrer mais tarde, com o desenvolvimento de galvanômetros e eletrômetros de maior sensibilidade, como o eletrômetro de d´Arsonval, o galvanômetro refletor, inventado por Lord Kelvin em 1858, o eletrômetro de Edelmann e o eletrômetro capilar de mercúrio, inventado por Gabriel Lippmann (1845-1921), em 1873. Estes instrumentos já eram capazes de medir correntes da ordem de algumas dezenas de microamperes.
|
Richard Caton |
Assim, utilizando um galvanômetro refletor de Kelvin, um médico de Liverpool, Inglaterra, chamado Richard Caton (1842-1926), foi o primeiro a descobrir a existência de alterações de corrente elétrica na superfície do córtex exposta em animais experimentais (coelhos e macacos), em 1875. Até cerca de 1890, Caton realizou diversos experimentos e descobriu alguns fatos notáveis sobre essa atividade:
Os trabalhos de Caton foram publicados em revistas médicas, deste modo ficando relativamente desconhecidos por um longo tempo. No entanto, foram replicados e confirmados nas décadas subseqüentes por outros pesquisadores, como Vasili Y. Danilewsky e Nikolai Y. Wedensky , na Rússia (1876 e 1880, respectivamente), Ernst von Fleischl-Marxov (1846-1891), na Alemanha (1883), e Adolph Beck (1863-1942), na Polônia, em 1890.
Beck não conhecia os resultados de Caton, e pesquisou o EEG em coelhos e cães, independentemente. Além de descrever a flutuação espontânea de potenciais no córtex, Beck descreveu com precisão a localização das modalidades sensoriais no córtex, usando um galvanômetro de corda para analisar a resposta eletronegativa de sua superfície em resposta à estimulação sensorial. Ele foi o primeiro a descrever que, embora estímulos sensoriais provocassem uma resposta aumentada pontual no córtex, eles também eram capazes de interromper o padrão de oscilação lenta característica do cérebro em animais em repouso.
Já no começo do século XX (em 1912), outro fisiologista russo, Vladimir V. Pravdich-Neminsky, foi capaz também de registrar fotograficamente as ondas cerebrais em cães. Este pesquisador deu o nome de "eletrocerebrograma" ao registro obtido, nome que não se firmou, como veremos adiante, e também foi o primeiro a publicar um registro de atividade elétrica em uma crise epiléptica em cães.
Foi apenas na década dos 20s, no entanto, que a neurociência conseguiu determinar que o cérebro humano também apresentava atividade elétrica na forma de ondas oscilantes constantes.
Em 1929, um neurologista e psiquiatra alemão chamado Hans Berger (1873-1921), que trabalhava na Universidade de Jena, na Alemanha, anunciou ao mundo científico e médico que:
|
Hans Berger |
Primeiro EEG registrado em 1924 |
Essas eram descobertas revolucionárias, e, de fato, Berger, após publicar uma série de 14 artigos entre 1929 e 1938, acabou sendo o honroso fundador de um ramo inteiramente novo e muito importante da ciência médica, a neurofisiologia clínica.
Berger tinha primeiramente se interessado em estudar a atividade elétrica do cérebro depois de ler os trabalhos experimentais de Richard Caton. Durante muitos anos, a partir de 1912, ele tentou obter registros em pacientes, usando equipamentos ainda pouco sensíveis para isso, como o eletrômetro capilar. Posteriormente, ele passou a usar o galvanômetro de corda, que tinha sido desenvolvido em 1902 por um grande fisiologista holandês, Willem Einthoven (1860-1927). Esse equipamento era muito mais sensível, e com ele, Berger obteve os seus primeiros resultados positivos em seres humanos, em 1924, ao estudar os potenciais no cérebro exposto de um rapaz que se acidentara.
|
Willem Einthoven em seu laboratório |
Galvanômetro de corda de Einthoven |
Eletrocardiógrafo comercial (1920) |
O galvanômetro de corda funcionava de acordo com o seguinte princípio: um fio capilar extremamente fino de quartzo, era revestido de uma fina película de prata. Ao ser submetido a um intensissimo campo magnético (o equipamento pesava mais de uma tonelada), o fio tendia a sofrer um desvio quando uma corrente elétrica fraca (alguns microamperes) passava pelo mesmo. Este desvio era amplificado através de um feixe de luz, que podia então ser observado através de uma lente ou registrado sobre um papel fotográfico que se movia. A sensibilidade do instrumento podia ser regulada aumentando-se a tensão do fio de quartzo. Einthoven usou o galvanômetro para estudar em detalhe a atividade elétrica do músculo cardíaco, que tinha sido descoberta em 1893 por Gabriel Lippmann e Etiénne-Jules Marey (1830-1904), usando o eletrômetro capilar desenvolvido pelo primeiro. As fenomenais contribuições de Einthoven à fisiologia e à medicina (ele é, inclusive, considerado o "pai" da telemedicina, por ter conseguido enviar eletrocardiogramas através de linhas telefônicas, em 1912!) renderam-lhe o prêmio Nobel de 1924.
Trabalhando praticamente sozinho, e exercendo grande cautela e rigor científico, Berger experimentou intensamente nos cinco anos seguintes à sua primeira descoberta, e fazendo muitas anotações em seus diários de pesquisa. Utilizando seu filho Klaus como paciente, ele obteve 73 registros, que foram os primeiros EEGs humanos publicados, em 1929. Ao final do mesmo ano, ele já tinha acumulado mais de 1100 registros, em 76 pacientes. A partir de 1932 ele recebeu da firma alemã Karl Zeiss equipamentos mais modernos e sensíveis de registro, e pode avançar em seus estudos.
|
Laboratório de Berger em 1932 |
Muitos fisiologistas, na época, duvidavam que as correntes elétricas descobertas por Caton e Beck se originassem realmente do tecido nervoso. Assim, Berger estudou extensamente outros fenômenos fisiológicos que pudem estar interferindo, como a circulação sangüínea do cérebro, o eletrocardiograma, a atividade muscular, a respiração, etc., e conseguiu demonstrar que essas atividades não se correlacionavam com o EEG.
Berger também foi o primeiro a obter correlações consistentes entre os padrões de ondas cerebrais e atividades mentais. Ele demonstrou, por exemplo, que as ondas beta tinham amplitude e duração menores do que as onda alfa, e que elas ocorriam em estados de alerta e de concentração mental. As ondas alfa ocorriam quando o paciente estava relaxado, e com os olhos fechados. Ao abrir os olhos, o padrão alfa era imediatamente substituido pelo padrão beta, confirmando assim os achados de Beck em animais, um fenômeno que ele denominou de bloqueio do ritmo alfa.
|
Bloqueio do alfa em EEG registrado por Berger em 1929 |
Em uma série de estudos publicados em 1931, ele observou, que as ondas alfa também desapareciam durante o sono, a anestesia geral, a pressão intracranial aumentada e em crises epilépticas. Ele descobriu que o ritmo cerebral ficava descontrolado e aumentava sua amplitude na epilepsia, abrindo assim o caminho para as aplicações clínicas do EEG, como método diagnóstico em muitas afecções do sistema nervoso. Também foi o primeiro a estudar o EEG ao longo do desenvolvimento do sistema nervoso em crianças, demonstrando que o EEG aparecia apenas a partir do terceiro mês de vida, quando a mielinização do SNC se completa.
|
Sir Adrian Douglas Adrian |
Sir Bryan H. Matthews |
Joseph Erlanger |
Herbert S. Gasser |
Por ter publicado em alemão e ser relativamente desconhecido no resto do mundo, os achados de Berger foram pouco divulgados até 1934, quando seus trabalhos foram descobertos por dois grandes fisiologistas ingleses, Sir Bryan H. Matthews e Lord Edgar Adrian, ambos trabalhando no Laboratório de Fisiologia da Universidade de Cambridge, e por Herbert H. Jasper (1906-1999), em 1935, nos EUA. Utilizando equipamentos mais sensíveis e modernos que os de Berger, eles fizeram muitos estudos em seres humanos e animais e corroboraram os seus resultados, dando grande publicidade aos mesmos e tornando Berger famoso em todo o mundo.
Os primeiros trabalhos internacionais demonstrando que a atividade epiléptica era acompanhada de alterações típícas do EEG, como o complexo ponta-onda, em epilepsia focal, foram feitas em Boston, em 1935 e 1936, pelos médicos americanos Frederic A. Gibbs (1903-1992) e William G. Lennox (1884-1860). Em Breslau, na Alemanha, Otfrid Foerster (1878-1941) e H. Altenburg foram os primeiros a registrar potenciais elétricos no córtex exposto de pacientes anestesiados levemente (eletrocorticografia), com o intuito de verificar focos epilépticos, uma metodologia que posteriormente foi grandemente incrementada no Instituto Neurológico de Montreal, Canadá, por Penfield, Jasper e Rasmunssen, como veremos adiante.
|
EEG registrado por Adrian e Matthews em 1934 |
Adrian tinha ficado famoso anteriormente com seus estudos sobre o potencial de ação do nervo, que o levaram a demonstrar, entre outras coisas a sua natureza tudo-ou-nada. Adrian tinha aproveitado inteligentemente a nova onda de progressos técnicos trazidos pela eletrônica para a eletrofisiologia. A invenção do amplificador eletrônico por Lee De Forest, em 1907, tornada possível pelo seu desenvolvimento do tubo audion (uma válvula á vácuo denominada também de triodo), tinha possibilitado a fisiologistas como os americanos Alexander Forbes, Herbert S. Gasser e Joseph Erlanger, a desenvolverem amplificadores operacionais de alto ganho, em 1921. Esses equipamentos aumentavam de várias centenas de vezes o fraco sinal elétrico colhido no tecido nervoso, o qual era injetado no estágio de entrada de um galvanômetro refletor ou de corda, levando a um notável aumento de sua sensibilidade. Gasser também foi o primeiro fisiologista a utilizar um outro equipamento de registro de fenômenos bioelétricos em função do tempo, o osciloscópio, que tinha sido inventado em 1897 pelo físico alemão Karl Ferdinand Braun. Graças à conjunção desses dois equipamentos cruciais para a eletrofisiologia moderna, Gasser e seu colega Erlanger, foram capazes de registrar pela primeira vez um potencial de ação, e ganharam o prêmio Nobel por sua contribuição.
|
Laboratório de eletrofisiologia de Herbert Gasser em 1939 |
|
Sono e Sonho
Armados com o registro objetivo proporcionado pelo EEG para o estudo dos estados da consciência, e com a descoberta que ele se alterava na vigília e no sono desenvolveu-se rapidamente, a partir de 1936, uma vigorosa linha de pesquisa sobre a sua fisiologia. Despontaram então grandes nomes, como Nathaniel Kleitman (1895-1999), William C. Dement (1928-) e Horace Magoun (1907-), nos EUA; Frédéric G.N. Bremer e Michel Jouvet (1925-), na França, Giovanni Moruzzi (1910-1986), na Itália, entre outros, que estudaram as estruturas neurais responsáveis pelo sono e pela vigília, como a formação reticular ascendente, descobriram o EEG típico do sonho (fase REM, derivada do seu nome em inglês, Rapid Eye Movements), e assim por diante. Não é objetivo deste trabalho revisar a história destas descobertas, mas o leitor poderá achar referências relevantes sobre a mesma na lista bibliográfica ao final.
|
|
|
|
|
|
|
Uma Ferramenta para a Neurologia
Da mesma forma como aconteceu com o eletrocardiograma e os equipamentos desenvolvidos a partir das brilhantes pesquisas de Einthoven, o eletroencefalógrafo tornou-se rapidamente um instrumento valiosíssimo de diagnóstico na neurologia, com as demonstrações de Berger. Surgiram modelos comerciais, inicialmente com apenas um canal de registro (ou seja, capazes de fazer apenas o traçado de um par de eletrodos de cada vez). O sistema mais conveniente que passou a ser utilizado foi o do galvanômetro inscritor, que constava de uma pena alimentada por tinta, presa a uma bobina móvel, dentro de um forte campo eletromagnético. Por volta de 1939 surgiram os primeiros equipamentos multicanais, que permitiam o registro simultâneo (em paralelo) sobre o papel, de vários pares de eletrodos colocados na superfície do crânio do paciente. O primeiro fabricante a introduzir esse tipo de equipamento, que logo tornou-se muito difundido, foi a Grass Instruments, com eletroencefalógrafos de três, quatro e seis canais, e um papel dobrável com velocidade de deslocamento de 30 mm/s, a qual se tornou padrão para o registro humano de EEG. O primeiro modelo (Grass I) foi desenvolvido pelo engenheiro Albert Grass, em colaboração com Frederic Gibbs, em 1935 e 1936. Os equipamentos, que obtiveram grande sucesso, foram usados a partir de 1938 nos hospitais da Segunda Guerra, para avaliar trauma cefálico em pilotos de aviões, e aperfeiçoados a partir de 1946. Um dos novos modelos Grass II foi usado por Nathaniel Kleitman na Universidade de Chicago, em seus estudos pioneiros sobre a caracterização eletroencefalográfica dos estágios do sono, e por praticamente todos os neurofisiologistas nas décadas subseqüentes.
Deste modo, desenvolveu-se em poucos anos toda uma metodologia de registro, diagnóstico e interpretação do estado funcional do cérebro.
|
Eletroencefalógrafo comercial de um canal (marca Lafayette) |
Equipamento de EEG multicanais |
O Potencial Evocado Cerebral
Com os avanços da instrumentação, os eletrofisiologistas estavam prontos para estudarem fenômenos elétricos mais sutis no sistema nervoso. Os potenciais que apareciam na superfície do crânio, em resposta a estímulos sensoriais estavam entre estes interesses, mas eles provaram ser fenômenos elusivos e difíceis de estudar, pois se "perdiam" entre as variações aleatórias e de maior amplitude das ondas cerebrais espontâneas.
|
George Dawson e seu promediador eletromecânico |
 |
Foi George D. Dawson, em 1954, que resolveu brilhantemente o problema, através do primeiro equipamento computacional usado em eletrofisiologia. Ele descobriu que se tirasse a média de sucessivos traçados de EEG obtidos em resposta a um estímulo sensorial, um claro potencial cortical, sincronizado com esse estímulo, aparecia claramente. Isso devia-se ao fato de que, como as variações espontâneas eram positivas ou negativas, não se correlacionando com o evento sensorial, elas tendiam a zero no processo de promediação. Quanto maior o número de repetições, maior e mais nítido aparecia essa variação, que foi então chamada de potencial evocado, ou potencial relacionado a evento (ERP, do inglês, event-related potential). Na ausência, ainda, de computadores digitais acessíveis, Dawson desenvolveu um equipamento eletromecânico, denominado de promediador (averager, em inglês), e com isso revolucionou a eletrofisiologia cerebral.
|
Registro de potencial evocado cerebral |
Processo de obtenção do traçado médio do potencial evocado |
O uso do EEG e do potencial evocado no auxílio à neurocirurgia e no mapeamento cortical de funções sensoriais humanas foi introduzido por Herbert H. Jasper (1906-1999), médico neurologista e eletrofisiologista clínico americano, que colaborou longamente com o famoso neurocirurgião canadense Wilder Penfield (1891-1976) nas décadas dos 40s e 50s. Entre outras coisas, esses resultados vieram confirmar os dados obtidos por Penfield na década anterior, por meio da estimulação elétrica cerebral em pacientes acordados, no córtex sensorial (obtenção do chamado "homúnculo sensorial cortical"). Jasper foi o fundador do célebre Laboratório de Eletrofisiologia do Instituto de Neurologia de Montreal, do qual Penfield era diretor.
|
Wilder Penfield (1891-1976) |
Herbert H. Jasper (1906-1999) |
Foi também por volta de 1941 que se iniciaram os estudos de mapeamento somatotópico detalhado em animais, com os trabalhos pioneiros de Marshall, Woolsey e Magoun, nos EUA. A eletrofisiologia conseguia agora responder à questão de localização da função, através do mapeamento muito mais fisiológico, proporcionado pelo registro da atividade elétrica.
|
Exemplo de mapeamento somatotópico sensorial em córtex de macaco (Marshall, Woolsey e Magoun, 1941). Cada ponto representa um traçado de potencial evodado obtido por estimulação sensorial na área indicada na pata do macaco. |
Os eletrodos usados por Berger, Adrian e outros eram grandes demais para que ele pudesse discernir no EEG algum tipo de localização específica da atividade elétrica em determinadas partes do cérebro (o que chamamos de estudo topográfico). Em outras palavras, o que se queria era se usar a atividade elétrica cerebral registrada no cérebro para determinar com precisão as áreas de projeção sensorial (regiões do cérebro que são ativadas apenas quando estímulos externos, como luz e som, são recebidos), etc.
Esta descoberta foi feita pelo notável cientista britânico W. Gray Walter, o qual, em 1936, provou que se fosse usado um grande número de eletrodos pequenos colocados sobre a pele da cabeça, era possível identificar atividade elétrica normal e anormal em determinadas áreas do cérebro, inclusive podendo se diagnosticar claramente um tumor (que tem atividade anormal ao seu redor, e diminuída ou nula em seu interior). Walter descobriu também que o ritmo alfa era simétrico nos dois hemisférios, em seres humanos normais, e que o registro simultâneo mostrava que as ondas alfa colhidas em vários pontos do córtex tinham exatamente a mesma variação em freqüência e fase. Ele trabalhou inicialmente do Departamento de Fisiologia do Burden Neurological Institute, e por ser também um engenheiro, realizou muitas melhorias nos equipamentos de EEG da época.
|
W. Grey Walter |
Toposcópio cerebral |
Assim, impressionado com as possibilidades de construir mapas bidimensionais da atividade de EEG na superfície do cérebro, W. Gray Walter inventou em 1957 o toposcópio. Este era um equipamento bastante complexo e que mostrava a inventividade de Gray Walter (além de ser médico, ele também era engenheiro). Ele tinha 22 tubos de raios catódicos (semelhantes a um tubo de TV), cada um deles conectado individualmente a um par de eletrodos colados sobre o crânio. Os eletrodos e seus tubos correspondentes, eram dispostos em um padrão geométrico bidimensional, de tal forma que cada tubo mostrava em sua tela fosforescente a intensidade e velocidade dos vários ritmos do EEG em uma área específica do cérebro, tais como os lobos frontais, parietais, ocipitais, etc. Esse conjunto de tubos era fotografado periodicamente, com suas telas para cima, e uma espécie de movimento espiral fosforescente era usado para evidenciar as diferentes freqüências presentes no EEG, naquelas partes do cérebro. T
Gray Walter pedia a seus pacientes que realizassem diversos tipos de tarefas mentais, com o resultado que os ritmos do EEG se alteravam de diversas formas, em várias partes do cérebro. Ele foi o primeiro a provar, por exemplo que o chamado ritmo alfa (presente durante o estado de repouso com os olhos acordados) desaparecia de quase todo o cérebro durante uma tarefa mental que exigisse estado de alerta, sendo substituido por um ritmo mais rápido, as ondas beta.
Ficou logo evidente para os neurologistas que o toposcópio poderia ser muito valioso para localizar focos epiléticos (o ponto onde a atividade elétrica anormal que precede uma convulsão se origina, geralmente devido à uma lesão localizada, tumor ou alteração funcional). Infelizmente, o aparelho era muito grande, complexo e caro, e não chegou a ter êxito comercial ou uso disseminado.
O estudo topográfico da atividade elétrica cerebral somente veio a renascer quando mini- e microcomputadores pequenos, rápidos e baratos se tornaram disponíveis na década dos 80. Desta forma a topografia cerebral do EEG foi desenvolvida, e está desfrutando de grande utilização. Ela também é chamada de Mapeamento Colorido do Cérebro.
Conclusões
A fascinante história da descoberta e estudo dos fenômenos eletrobiológicos do sistema nervoso central conseguiu responder positivamente às três perguntas iniciais colocadas no inicio deste artigo. Os cientistas que contribuiram para a construção desta história apoiaram-se sempre nos ombros de seus antecessores, em uma brilhante e inspiradora linhagem, que começou com Galvani, no final do século XVIII. As descobertas fundamentais foram feitas praticamente por um único pesquisador, Richard Caton, na segunda métade daquele século, mas o progresso só ocorreu, como aconteceu praticamente em toda a história da neurociência, com a disponibilidade de instrumentos físicos mais sensíveis e acurados para o estudo dos sutis potenciais elétricos que acompanham a atividade nervosa central. Como bem escreveu Lord Adrian:
"A história da eletrofisiologia foi decidida pela história dos instrumentos de registro elétrico"
Recursos na Internet
Biografias
|
Prof. Renato M.E. Sabbatini, PhD é um neurocientista com doutorado em neurofisiologia pela Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo, e um estágio de pós-doutoramento como cientista convidado do Instituto Max Planck de Neurobiologia, de Munique, Alemanha. Ele é professor associado da Faculdade de Ciências Médicas da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), editor associado e coordenador da seção de História da Neurociência da revista Cérebro & Mente. Email: sabbatin@nib.unicamp.br
