Cérebro
O cérebro é o principal órgão e centro do sistema nervoso em todos os animais vertebrados, e em muitos invertebrados. Alguns animais primitivos como os celenterados e equinodermas (estrela-do-mar) possuem um sistema nervoso descentralizado sem cérebro, enquanto as esponjas-do-mar não possuem sistema nervoso. Nos vertebrados o cérebro localiza-se na cabeça protegido pelo crânio, próximo aos aparatos sensoriais primários: visão, audição, equilíbrio, tato, paladar e olfato. Num senso estrito, cérebro é o conjunto das estruturas nervosas derivadas do prosencéfalo. Em linguagem corrente, este termo pode designar o encéfalo como um todo, o telencéfalo ou o córtex cerebral.
O encéfalo não apenas cresce, ele se desenvolve em uma sequência muito bem orquestrada, muitos neurônios são criados em zonas especiais que contêm células-tronco, e então migram pelo tecido para chegarem a sua localização final. No córtex, por exemplo, o primeiro estágio de desenvolvimento é a formação de uma "plataforma" por um grupo especial de células gliais, chamadas glia radiais , que projetam fibras verticalmente através do córtex. Os neurônios corticais novos são criados na base do córtex, então "escalam" estas fibras radiais até chegarem às camadas que estão destinados a ocupar enquanto adultos. Uma vez em seu lugar, o neurônio começa a estender dendritos e um axônio a seu redor. Os axônios, por geralmente se estenderem a grande distância do corpo celular e terem de fazer contato com alvos específicos, crescem de modo particularmente complexo. A ponta de um axônio em crescimento consiste de uma bolha de protoplasma chamada "cone de crescimento", repleta de receptores químicos. Estes receptores sentem o ambiente local, fazendo o cone de crescimento ser atraído ou repelido por vários elementos celulares, sendo atraído a uma direção em particular em cada ponto de seu trajeto. O resultado deste processo de direcionamento é que o cone de crescimento navega através do cérebro até atingir sua área de destino, onde outros indicadores químicos o fazem iniciar a formação de sinapses. Levando em conta todo o encéfalo, muitos milhares de genes dão origem a proteínas que influenciam o direcionamento do axônio.
O cérebro é a mais complexa estrutura biológica conhecida, e compará-lo entre diferentes espécies mesmo nos aspectos básicos não é uma tarefa fácil. Porém, existem princípios comuns na arquitetura cerebral que se aplicam a uma vasta gama de espécies, que são revelados principalmente por três abordagens: O córtex cerebral é a parte do cérebro que melhor distingue os mamíferos dos outros vertebrados, primatas de outros mamíferos e humanos de outros primatas. Em vertebrados não mamíferos, a superfície do telencéfalo é forrada por uma estrutura em camadas relativamente simples chamada pallium. Nos mamíferos, o pallium é envolvido em uma estrutura de 6 camadas chamada neocortex. Em primatas o neocortex é mais avantajado em comparação aos não primatas, especialmente a parte chamada lobo frontal. Nos seres humanos, este alargamento dos lobos frontais é levado de uma extremidade à outra, e de outras partes do córtex também se tornam bastante grandes e complexas. A relação entre tamanho cerebral, tamanho corporal e outras variáveis são estudadas entre uma grande gama de espécies.
Bilatérios
Com exceção de umas poucas formas primitivas como as esponjas e águas-vivas, todos os animais existentes são bilaterais, ou seja, animais cujo corpo apresenta simetria bilateral (isto é, o lado direito e o esquerdo são imagens espelhadas um do outro). Imagina-se que todos os bilatérios descendam de um ancestral comum, surgido no início do período Cambriano, num período datado entre 550 e 600 milhões de anos antes do presente. Este ancestral tinha a forma de um simples verme tubular de corpo segmentado, e num nível abstrato, este formato de verme continua presente no esquema dos corpos e sistemas nervosos de todos os bilatérios modernos, inclusive o ser humano. A forma geral de corpo bilatério é a de um tubo com uma cavidade digestiva oca indo da boca ao ânus, e um cordão neural com um alargamento (um gânglio) para cada segmento corporal, com um gânglio excepcionalmente grande na frente, chamado de "cérebro".
Invertebrados
Em muitos invertebrados - insetos, moluscos, vermes de vários tipos etc. - os componentes do cérebro e a sua organização difere tanto do padrão dos vertebrados que se torna difícil fazer comparações com algum significado, exceto com base na genética. Dois grupos de invertebrados possuem cérebros notavelmente complexos: artrópodes (insetos, crustáceos, aracnídeos, e outros) e cefalópodes (polvos, lulas e moluscos semelhantes). Os cérebros dos artrópodes e cefalópodes chegam de dois cordões neurais paralelos que se estendem pelo corpo do animal. Artrópodes possuem um cérebro central com três divisões e grandes lobos ópticos atrás de cada olho, para processamento visual. Cefalópodes têm os maiores cérebros entre os invertebrados. O cérebro do polvo, em particular, é altamente desenvolvido, comparável em complexidade com os cérebros de alguns vertebrados.
Vertebrados
Os cérebros dos vertebrados são feitos de um tecido muito mole, de textura comparável à da geleia. Quando vivo, o tecido cerebral é rosado por fora e branco por dentro, com pequenas variações de cor. Nos vertebrados, o cérebro é circundado por um sistema de membranas de tecido conjuntivo chamadas meninges, que o separam do crânio. Esta cobertura em três camadas é composta (de fora para dentro) pela dura-máter (matéria dura), aracnoide-máter (matéria-aranha), e pia-máter (matéria macia). A aracnoide e a pia são fisicamente conectadas, e frequentemente consideradas uma única camada, a pia-aracnoide. Sob a aracnoide fica o espaço sub-aracnoide, que contém fluido cérebro-espinal (FCE), que circula pelos pequenos espaços intercelulares e por cavidades chamadas ventrículos, e serve para nutrir, sustentar e proteger o tecido cerebral. Vaso sanguíneo entram no sistema nervoso central pelo espaço perivascular acima da pia-máter. As células das paredes destes vasos são firmemente unidas, formando a barreira sangue-cérebro, que protege o cérebro de toxinas que possam entrar pelo sangue.
Mamíferos
O rombencéfalo e o mesencéfalo dos mamíferos são em geral similares aos de outros vertebrados, mas diferenças gritantes aparecem no prosencéfalo, que é não só muito aumentado, mas diferenciado em sua estrutura. Nos mamíferos, a maior parte da superfície dos hemisférios cerebrais é coberta por um isocórtex de seis camadas, mais complexo que o pallium de três camadas visto na maioria dos vertebrados. O hipocampo dos mamíferos também apresenta uma estrutura diferente. A história evolucionária destas características mamíferas, especialmente o córtex de seis camadas, é difícil de reconstituir. Isto deve-se, principalmente, ao desconhecimento de um fóssil de transição. Os ancestrais dos mamíferos, chamados sinápsidas, separam-se dos ancestrais dos répteis modernos e aves há cerca de 350 milhões de anos. Entretanto, a ramificação mais recente que vingou entre os mamíferos foi a separação entre monotremados (ornitorrinco e équidna), marsupiais (gambá, canguru) e placentários (maioria dos mamíferos atuais), que aconteceu há cerca de 120 milhões de anos. Os cérebros dos monotremados e dos marsupiais são diferentes dos cérebros placentários em alguns aspectos, mas possuem as estruturas corticais e do hipocampo inteiramente mamíferas. Assim, estas estruturas devem ter evoluído há entre 350 e 120 milhões de anos, período que não deixou evidências senão fósseis, que não conservam tecidos moles como o cérebro.
Primatas (incluindo humanos)
O cérebro primata contém a mesma estrutura que o cérebro de outros mamíferos, mas é consideravelmente maior em relação ao tamanho do corpo. Esse aumento de tamanho relaciona-se principalmente com uma grande expansão do córtex, com destaque para as áreas relativas a visão e antecipação. A rede de processamento visual dos primatas é muito complexa, incluindo pelo menos 30 áreas diferenciáveis, com uma desconcertante rede de interconexões. Esses fatos contribuem para que o processamento visual utilize quase metade do cérebro. A outra parte do cérebro que tem grande aumento é o córtex pré-frontal, cujas funções são difíceis de sumarizar sucintamente, mas relacionam-se com planejamento, memória de trabalho, motivação, atenção, e controle de funções.
O cérebro é composto de duas grandes classes de células, neurônios e células gliais. Neurônios recebem mais atenção, mas, na verdade, as células gliais são mais frequentes, formando uma proporção de pelo menos 10 para 1. Existem diversos tipos de células gliais, que realizam um grande número de funções importantes como: suporte estrutural, suporte metabólico, isolamento, e guia para o desenvolvimento. A característica que torna os neurônios tão importantes é a capacidade de enviar sinais uns para os outros através de longas distâncias, algo que não ocorre nas células gliais. Eles enviam esses sinais através de um axônio, uma fina fibra protoplasmática que parte do corpo celular e projeta-se, normalmente com inúmeras ramificações, para outras áreas, às vezes perto, às vezes em partes distantes do cérebro ou do corpo. A extensão de um axônio pode ser extraordinária: por exemplo, se uma célula piramidal do neocórtex fosse aumentada até que o tamanho de seu corpo fica-se do tamanho de um corpo humano, seu axônio, igualmente aumentado, seria um cabo com algumas polegadas de diâmetro, estendendo-se por mais de um quilômetro. Esses axônios transmitem sinais na forma de impulsos eletroquímicos chamados potenciais de ação, que duram menos que um milésimo de segundo e viajam através do axônio numa velocidade de 1 a 100 metros por segundo. Alguns neurônios emitem potenciais de ação constantemente, 10 a 100 vezes por segundo, normalmente em padrões temporais irregulares; outros neurônios ficam em repouso a maior parte do tempo, mas ocasionalmente emitem uma rajada de potenciais de ação.
De uma perspectiva biológica, a função do cérebro é gerar comportamentos que promovam a aptidão genética de um animal. Para fazê-lo, ele extrai informações relevantes dos órgãos sensíveis para refinar as ações do animal. Sinais sensórios podem estimular respostas imediatas, como quando o sistema olfatório de um veado detecta o odor de um lobo; podem modular o padrão de atividade em andamento, como os efeitos dos ciclos de claridade-escuridão sobre o estado de sono-vigília de um organismo; ou suas informações podem ser armazenadas, para o caso de relevância futura. O cérebro gerencia sua complexa tarefa orquestrando subsistemas funcionais, que podem ser categorizados de várias formas: anatomicamente, quimicamente e funcionalmente. Apesar do cérebro representar apenas 2% da massa corporal, ele é responsável por 20% de consumo total de oxigênio do corpo humano.
Sistemas de neurotransmissores
Com poucas exceções, cada neurônio do cérebro libera o mesmo neurotransmissor químico, ou conjunto de neurotransmissores, em todas as conexões sinápticas que faz com outros neurônio. Ainda assim, a grande maioria das drogas psicoativas produz efeitos ao alterar sistemas neurotransmissores que não envolvem diretamente a transmissão glutamatérgica ou a GABAérgica. Drogas como cafeína, nicotina, heroína, cocaína, Prozac, Thorazine, etc., atuam sobre outros neurotransimssores. Muitos destes outros transmissores vêm de neurônios localizados em partes específicas do cérebro. A serotonina, por exemplo - o alvo primário de drogas antidepressivas e muitos suplementos dietéticos - origina-se em uma pequena área do tronco encefálico chamada núcleo da rafe. A norepinefrina, relacionada ao estado de alerta, origina-se em uma pequena área próxima, chamada de cerúleo. A histamina, enquanto neurotransmissor, vem de uma pequena parte do hipotálamo chamada núcleo tuberomamilar (a histamina também possui funções fora do sistema nervoso central, mas a função neurotransmissora é que faz os anti-histamínicos terem efeito sedativo). Outros neurotransmissores como a acetilcolina e a dopamina têm múltiplas fontes no cérebro, mas que não estão tão ubiquamente distribuídas quanto as de glutamato e GABA.
Sistemas sensórios
Uma das funções primárias do cérebro é extrair informação biologicamente relevante de receptores sensoriais. Mesmo no cérebro humano, os processos sensórios vão bem além dos clássicos cinco sentidos da visão, audição, paladar, tato e olfato: nossos cérebros recebem informações sobre temperatura, equilíbrio, posição dos membros e da composição química da corrente sanguínea, entre outras coisas. Todas estas informações são detectadas por sensores especializados que enviam sinais para o cérebro. Entre não-humanos, podem estar presentes sentidos adicionais, como os sensores de calor presentes nas fossetas loreais das serpentes; ou os sentidos "convencionais" podem ser usados de modos não-convencionais, como no "sonar" auditivo dos morcegos. Cada sistema sensório possui suas idiossincrasias, mas aqui estão alguns princípios que se aplicam à maioria deles, usando o sentido da audição para exemplos específicos:
Sistema motor
Sistemas motores são áreas do cérebro que estão mais ou menos envolvidas na produção de movimentos corporais, isto é, na ativação de músculos. Com a exceção dos músculos que controlam os olhos, todos os músculos voluntários do corpo são diretamente inervados por neurônios motores no cordão espinhal, que por sua vez são o último caminho comum do sistema gerador de movimento. Neurônios motores espinhais são controlados tanto por circuitos neurais intrínsecos ao cordão espinhal quanto por estímulos originados no cérebro. Os circuitos espinhais intrínsecos executam várias respostas reflexas, e também contêm geradores de padrões para movimentos ritmados, como andar ou nadar. As conexões descendentes do encéfalo permitem controle mais sofisticado.
Sistema de alerta
Talvez o aspecto mais óbvio do comportamento de qualquer animal é o ciclo diário que compreende dormir e acordar. O estado de alerta e atenção também é modulado em uma escala de tempo delicada por uma rede extensa de áreas cerebrais. Um componente chave do sistema da alerta é o núcleo supraquiasmático, uma pequena porção do hipotálamo localizada diretamente acima do ponto em que os nervos ópticos dos dois olhos cruzam. O núcleo supraquiasmático contém o relógio biológico central do corpo. Os neurônios de lá mostram níveis de atividade que sobem e declinam em um período de 24 horas, os ritmos circadianos: essas flutuações de atividade são direcionadas por mudanças rítmicas na expressão de um determinado grupo de "genes relógio". O núcleo supraquiasmático continua a altera-se de acordo com tempo mesmo se for retirado do cérebro e colocado numa bandeja com uma solução nutritiva morna, entretanto ele apenas recebe a informação dos nervos ópticos, através do trato retino hipotalâmico, que permite que o ciclo claro-escuro calibre o relógio.
Apesar de ser protegido pelo crânio e pelas meninges, envolvido pelo líquido cefalorraquidiano, e isolado da corrente sangüínea pela barreira hematoencefálica, a natureza sensível do cérebro o faz vulnerável a inúmeras doenças e diversos tipos de lesões. Esses problemas manifestam-se de maneira diferenciada em humanos em relação a outras espécies, por isso uma visão geral da patologia cerebral e seu possível tratamento são abordados nos artigos sobre cérebro humano, lesão cerebral, e neurologia.
