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Estrutura de memória CNS

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Sou novo em biologia. você poderia me informar se as 2 suposições a seguir estão corretas

Uma célula nervosa no SNC junto com seus neurônios de loopback (colaterais) é uma unidade de memória. Ele será acionado de acordo com o padrão de picos fornecido (exemplo - do PNS). O referido padrão deve ser “próximo o suficiente” para permitir que a unidade de memória ressoe.

Uma unidade de memória é um subgráfico cíclico com seu “neurônio raiz”. Um neurônio inibitório elimina a ressonância múltipla da unidade de memória.


Os conceitos que você levanta em sua pergunta não são fundamentados na neurobiologia. Não sabemos quais são os correlatos biológicos de uma "unidade de memória" no sistema nervoso central.

Embora as oscilações sejam comuns no cérebro, a relação entre as oscilações e o armazenamento e a evocação da memória é um assunto de pesquisa ativa. A maneira como você afirma esse processo em sua pergunta não é justificada por nenhuma evidência experimental de que eu tenha conhecimento.

As memórias não têm um "neurônio raiz" - como escrevi acima, não sabemos como as memórias se relacionam com os neurônios. Os neurônios inibitórios simplesmente fornecem correntes de entrada inibitórias para seus alvos pós-sinápticos. Qualquer relação com "ressonância" ou oscilações baseia-se em suposições explícitas sobre propriedades de rede emergentes, e essas são atualmente infundadas.


Tudo sobre o sistema nervoso central

O sistema nervoso central consiste no cérebro e na medula espinhal. É referido como “central” porque combina informações de todo o corpo e coordena a atividade em todo o organismo.

Este artigo fornece uma breve visão geral do sistema nervoso central (SNC). Veremos os tipos de células envolvidas, as diferentes regiões do cérebro, os circuitos espinhais e como o SNC pode ser afetado por doenças e lesões.

Compartilhar no Pinterest O CNS é o cérebro e a medula espinhal.

O SNC consiste no cérebro e na medula espinhal.

O cérebro é protegido pelo crânio (a cavidade craniana) e a medula espinhal viaja da parte posterior do cérebro até o centro da coluna, parando na região lombar da região lombar.

O cérebro e a medula espinhal estão ambos alojados dentro de uma membrana protetora de três camadas chamada meninges.

O sistema nervoso central foi exaustivamente estudado por anatomistas e fisiologistas, mas ainda guarda muitos segredos: controla nossos pensamentos, movimentos, emoções e desejos. Ele também controla nossa respiração, frequência cardíaca, liberação de alguns hormônios, temperatura corporal e muito mais.

A retina, o nervo óptico, os nervos olfatórios e o epitélio olfatório às vezes são considerados parte do SNC ao lado do cérebro e da medula espinhal. Isso ocorre porque eles se conectam diretamente com o tecido cerebral sem fibras nervosas intermediárias.

Abaixo está um mapa 3D do CMS. Clique nele para interagir e explorar o modelo.

Agora veremos algumas partes do SNC com mais detalhes, começando pelo cérebro.

O cérebro é o órgão mais complexo do corpo humano - o córtex cerebral (a parte mais externa do cérebro e a maior parte em volume) contém cerca de 15–33 bilhões de neurônios, cada um dos quais está conectado a milhares de outros neurônios.

No total, cerca de 100 bilhões de neurônios e 1.000 bilhões de células gliais (de suporte) constituem o cérebro humano. Nosso cérebro usa cerca de 20 por cento da energia total do nosso corpo.

O cérebro é o módulo de controle central do corpo e coordena a atividade. Do movimento físico à secreção de hormônios, à criação de memórias e à sensação de emoção.

Para realizar essas funções, algumas seções do cérebro têm funções específicas. No entanto, muitas funções superiores - raciocínio, resolução de problemas, criatividade - envolvem diferentes áreas trabalhando juntas em redes.

O cérebro é dividido em quatro lóbulos:

Lobo temporal (verde): importante para processar a entrada sensorial e atribuir-lhe um significado emocional.

Também está envolvido no estabelecimento de memórias de longo prazo. Alguns aspectos da percepção da linguagem também estão incluídos aqui.

Lobo occipital (roxo): região de processamento visual do cérebro, que abriga o córtex visual.

Lobo parietal (amarelo): o lobo parietal integra informações sensoriais, incluindo toque, consciência espacial e navegação.

A estimulação do toque da pele é enviada ao lobo parietal. Ele também desempenha um papel no processamento da linguagem.

Lobo frontal (rosa): posicionado na parte frontal do cérebro, o lobo frontal contém a maioria dos neurônios sensíveis à dopamina e está envolvido na atenção, recompensa, memória de curto prazo, motivação e planejamento.

Regiões do cérebro

A seguir, veremos algumas regiões específicas do cérebro com um pouco mais de detalhes:

Gânglios basais: envolvidos no controle dos movimentos motores voluntários, aprendizagem procedimental e decisões sobre quais atividades motoras realizar. As doenças que afetam esta área incluem a doença de Parkinson e a doença de Huntington.

Cerebelo: principalmente envolvido no controle motor preciso, mas também na linguagem e atenção. Se o cerebelo estiver danificado, o principal sintoma é a interrupção do controle motor, conhecido como ataxia.

Área de broca: esta pequena área no lado esquerdo do cérebro (às vezes no lado direito em indivíduos canhotos) é importante no processamento da linguagem. Quando danificado, um indivíduo tem dificuldade para falar, mas ainda consegue entender a fala. A gagueira às vezes está associada a uma área de Broca pouco ativa.

Corpus callosum: uma ampla faixa de fibras nervosas que unem os hemisférios esquerdo e direito. É a maior estrutura de matéria branca do cérebro e permite que os dois hemisférios se comuniquem. Crianças disléxicas têm corpos calosos menores, pessoas canhotas, pessoas ambidestras e músicos geralmente têm corpos maiores.

Medula oblongata: estendendo-se abaixo do crânio, está envolvido em funções involuntárias, como vômito, respiração, espirros e manutenção da pressão arterial correta.

Hipotálamo: Situado logo acima do tronco cerebral e quase do tamanho de uma amêndoa, o hipotálamo secreta vários neuro-hormônios e influencia o controle da temperatura corporal, a sede e a fome.

Thalamus: posicionado no centro do cérebro, o tálamo recebe estímulos sensoriais e motores e os retransmite para o resto do córtex cerebral. Está envolvido na regulação da consciência, sono, percepção e vigilância.

Amígdala: dois núcleos em forma de amêndoa profundamente no lobo temporal. Eles estão envolvidos na tomada de decisões, na memória e nas respostas emocionais, particularmente nas emoções negativas.


Partes do Sistema Nervoso Central

Podemos dividir nosso sistema nervoso em sistema nervoso central e sistema nervoso periférico (SNP). O Sistema Nervoso Periférico é formado por todos os nervos que partem do SNC e se estendem por todo o corpo. Por outro lado, o Sistema Nervoso Central é formado pelo cérebro e medula espinhal. Neste artigo, vamos nos concentrar nas funções e partes do SNC.

Anatomia do sistema nervoso central

O SNC é protegido pelo crânio, pela coluna e pelas membranas chamadas meninges. É formado pelo cérebro e pela medula espinhal, composta por milhões de células conectadas entre si, os famosos neurônios.

A seguir, oferecemos um esquema simples para que você possa ver como o Sistema Nervoso Central está dividido.

  • Como funciona o SNC? Se você deseja saber quais são as funções do Sistema Nervoso Central, recomendamos que continue lendo este artigo.

A aprendizagem precoce ativa molda a estrutura do cérebro adulto, novos programas de pesquisa

Em nova pesquisa publicada no Journal of Cognitive Neuroscience, bebês de baixo nível socioeconômico foram randomizados para cinco anos de cuidados baseados em centros de estimulação cognitiva e linguística ou uma condição de comparação em que a intervenção resultou em mudanças grandes e estatisticamente significativas na estrutura do cérebro medida na meia-idade, particularmente para indivíduos do sexo masculino.

Um professor orienta um aluno em uma tarefa nesta foto histórica do Projeto Abecedarian. Crédito da imagem: Virginia Tech.

Como a experiência da infância molda o cérebro humano? A pergunta é surpreendentemente difícil de responder, pois diz respeito às causas, e não apenas aos correlatos, das diferenças individuais no desenvolvimento humano.

Os estudos de tais diferenças são normalmente observacionais e, portanto, silenciosos sobre o assunto da causalidade.

Os estudos em animais, por outro lado, demonstraram influência causal da estimulação ambiental na estrutura do cérebro usando atribuição aleatória a ambientes físicos de baixa ou alta complexidade.

No entanto, eles não podem nos dizer sobre as características do ambiente que mais importam para o desenvolvimento humano: a estimulação linguística e cognitiva.

O papel do meio ambiente na formação do desenvolvimento do cérebro é uma questão central para a neurociência, e uma importante questão em aberto diz respeito ao impacto das características exclusivamente humanas do meio ambiente, a saber, a estimulação lingüística e cognitiva.

Enquanto uma grande literatura animal mostra que ambientes de gaiola mais complexos levam a mudanças cerebrais microscópicas e macroscópicas, incluindo um córtex maior, tais manipulações fornecem um modelo incompleto para as diferenças ambientais que podem ser mais importantes no desenvolvimento humano.

Isso inclui diferenças em formas complexas de experiência cognitiva e linguística.

“Nossa pesquisa mostra uma relação entre a estrutura do cérebro e cinco anos de experiências educacionais e sociais de alta qualidade”, disse o professor Craig Ramey, pesquisador do Fralin Biomedical Research Institute do Virginia Polytechnic Institute and State University.

“Demonstramos que em crianças vulneráveis ​​que receberam experiências de aprendizagem estimulantes e de apoio emocional, mudanças estatisticamente significativas na estrutura do cérebro aparecem na meia-idade”.

“Os resultados apóiam a ideia de que o ambiente inicial influencia a estrutura do cérebro de indivíduos que crescem com desafios socioeconômicos de múltiplos riscos”, acrescentou a Dra. Martha Farah, diretora do Centro de Neurociência e Sociedade da Universidade da Pensilvânia.

“Isso tem implicações empolgantes para a ciência básica do desenvolvimento do cérebro, bem como para as teorias de estratificação social e política social.”

O estudo envolveu participantes do Projeto Abecedarian, que foi estabelecido na Carolina do Norte no início dos anos 1970.

O projeto inicialmente matriculou 112 bebês, predominantemente afro-americanos, de lares de NSE muito baixo (baixa renda e educação materna) com vários fatores de risco associados, como ausência paterna, recebimento da previdência e baixo QI dos pais, mas livres de distúrbios do neurodesenvolvimento.

Posteriormente, um dos 112 bebês recebeu o diagnóstico de uma condição congênita que foi desqualificadora com base nos critérios de exclusão, resultando em 111 bebês participando do estudo.

Os grupos de comparação e de tratamento receberam serviços extras de cuidados de saúde, nutrição e apoio à família.

No entanto, a partir das seis semanas de idade, o grupo de tratamento também recebeu cinco anos de apoio educacional de alta qualidade, cinco dias por semana, 50 semanas por ano.

Durante os exames de acompanhamento, as varreduras estruturais de ressonância magnética foram obtidas de 47 da amostra do Abecedarian, 29 do grupo de intervenção precoce e 18 do grupo de comparação.

Quando escaneados, os participantes tinham entre 30 e 40 anos, oferecendo aos pesquisadores uma visão única de como os fatores da infância afetam o cérebro adulto.

Analisando as varreduras, os autores observaram o tamanho do cérebro como um todo, incluindo o córtex, a camada mais externa do cérebro, bem como cinco regiões selecionadas por sua conexão esperada com a estimulação da intervenção da linguagem e do desenvolvimento cognitivo das crianças.

Incluíam o giro frontal inferior esquerdo e o giro temporal superior esquerdo, que podem ser relevantes para a linguagem, e o giro frontal inferior direito e o córtex cingulado anterior bilateral, relevantes para o controle cognitivo.

Um quinto, o hipocampo bilateral, foi adicionado porque seu volume está frequentemente associado a adversidades no início da vida e nível socioeconômico.

Os cientistas determinaram que aqueles no grupo de tratamento de educação infantil aumentaram o tamanho de todo o cérebro, incluindo o córtex. Várias regiões corticais específicas também pareceram maiores.

Eles também observaram que os resultados do tratamento de intervenção em grupo para o cérebro foram substancialmente maiores para os homens do que para as mulheres.

As razões para isso não são conhecidas e foram surpreendentes, uma vez que tanto os meninos quanto as meninas mostraram efeitos comportamentais e educacionais positivos geralmente comparáveis ​​de sua educação enriquecida precoce.

“Quando lançamos este projeto na década de 1970, o campo sabia mais sobre como avaliar o comportamento do que sobre como avaliar a estrutura do cérebro”, disse o professor Ramey.

“Por causa dos avanços na tecnologia de neuroimagem e por meio de fortes colaborações interdisciplinares, fomos capazes de medir as características estruturais do cérebro.”

“O córtex pré-frontal e as áreas associadas à linguagem foram definitivamente afetadas e, até onde sabemos, esta é a primeira evidência experimental de uma ligação entre as primeiras experiências educacionais conhecidas e as mudanças de longo prazo em humanos”.

“Acreditamos que essas descobertas justificam uma consideração cuidadosa e dão mais apoio ao valor de garantir uma aprendizagem positiva e apoio socioemocional para todas as crianças & # 8212, particularmente para melhorar os resultados para crianças que são vulneráveis ​​a estímulos e cuidados inadequados nos primeiros anos de vida."

Martha J. Farah et al. 2021. Randomized Manipulation of Early Cognitive Experience Impacts Adult Brain Structure. Journal of Cognitive Neuroscience 33 (6): 1197-1209 doi: 10.1162 / jocn_a_01709


O BDNF atua em certos neurônios do sistema nervoso central e do sistema nervoso periférico, ajudando a sustentar a sobrevivência dos neurônios existentes e estimulando o crescimento e a diferenciação de novos neurônios e sinapses. [10] [11] No cérebro, ele está ativo no hipocampo, córtex e prosencéfalo basal - áreas vitais para o aprendizado, a memória e o pensamento superior. [12] O BDNF também é expresso na retina, rins, próstata, neurônios motores e músculo esquelético, e também é encontrado na saliva. [13] [14]

O próprio BDNF é importante para a memória de longo prazo. [15] Embora a grande maioria dos neurônios no cérebro dos mamíferos seja formada no período pré-natal, partes do cérebro adulto mantêm a capacidade de desenvolver novos neurônios a partir de células-tronco neurais em um processo conhecido como neurogênese. As neurotrofinas são proteínas que ajudam a estimular e controlar a neurogênese, sendo o BDNF uma das mais ativas. [16] [17] [18] Camundongos nascidos sem a capacidade de fazer BDNF sofrem defeitos de desenvolvimento no cérebro e no sistema nervoso sensorial e geralmente morrem logo após o nascimento, sugerindo que o BDNF desempenha um papel importante no desenvolvimento neural normal. [19] Outras neurotrofinas importantes estruturalmente relacionadas ao BDNF incluem NT-3, NT-4 e NGF.

O BDNF é produzido no retículo endoplasmático e segregado de vesículas de núcleo denso. Ele se liga à carboxipeptidase E (CPE), e a interrupção dessa ligação foi proposta para causar a perda de classificação do BDNF em vesículas de núcleo denso. O fenótipo para camundongos knockout para BDNF pode ser grave, incluindo letalidade pós-natal. Outras características incluem perdas de neurônios sensoriais que afetam a coordenação, equilíbrio, audição, paladar e respiração. Camundongos knockout também exibem anormalidades cerebelares e um aumento no número de neurônios simpáticos. [20]

Certos tipos de exercício físico mostraram aumentar marcadamente (três vezes) a síntese de BDNF no cérebro humano, um fenômeno que é parcialmente responsável pela neurogênese induzida por exercício e melhorias na função cognitiva. [14] [21] [22] [23] [24] A niacina também parece aumentar a expressão do BDNF e do receptor da tropomiosina quinase B (TrkB). [25]

O BDNF se liga a pelo menos dois receptores na superfície das células que são capazes de responder a este fator de crescimento, TrkB (pronuncia-se "Faixa B") e o LNGFR (para receptor de fator de crescimento de nervo de baixa afinidade, também conhecido como p75). [26] Também pode modular a atividade de vários receptores de neurotransmissores, incluindo o receptor nicotínico Alfa-7. [27] BDNF também mostrou interagir com a cadeia de sinalização de reelin. [28] A expressão de reelina pelas células Cajal-Retzius diminui durante o desenvolvimento sob a influência do BDNF. [29] O último também diminui a expressão de reelina em cultura neuronal.

Editar TrkB

O receptor TrkB é codificado pelo gene NTRK2 e é membro de uma família de receptores de tirosina quinases que inclui TrkA e TrkC. A autofosforilação de TrkB é dependente de sua associação específica de ligante com BDNF, um fator neurótico dependente de atividade amplamente expresso que regula a plasticidade e é desregulado após lesão por hipóxia. A ativação da via BDNF-TrkB é importante no desenvolvimento da memória de curto prazo e no crescimento dos neurônios. [ citação necessária ]

Editar LNGFR

O papel do outro receptor do BDNF, o p75, é menos claro. Enquanto o receptor TrkB interage com o BDNF de uma maneira específica para o ligante, todas as neurotrofinas podem interagir com o receptor p75. [30] Quando o receptor p75 é ativado, ele leva à ativação do receptor NFkB. [30] Assim, a sinalização neurotrófica pode desencadear apoptose em vez de vias de sobrevivência em células que expressam o receptor p75 na ausência de receptores Trk. Estudos recentes revelaram que uma isoforma truncada do receptor TrkB (t-TrkB) pode atuar como um negativo dominante para o receptor de neurotrofina p75, inibindo a atividade de p75 e evitando a morte celular mediada por BDNF. [31]

A proteína BDNF é codificada por um gene que também é chamado de BDNF, encontrado em humanos no cromossomo 11. [7] [8] Estruturalmente, a transcrição do BDNF é controlada por 8 promotores diferentes, cada um levando a diferentes transcritos contendo um dos 8 5 'não traduzidos exões (I a VIII) ligados ao exão de codificação 3 '. A atividade do promotor IV, que leva à tradução do mRNA contendo o exon IV, é fortemente estimulada pelo cálcio e está principalmente sob o controle de um componente regulador Cre, sugerindo um papel putativo para o fator de transcrição CREB e a fonte dos efeitos dependentes da atividade do BDNF . [32] Existem vários mecanismos por meio da atividade neuronal que pode aumentar a expressão específica do exon IV do BDNF. [32] A excitação neuronal mediada por estímulos pode levar à ativação do receptor NMDA, desencadeando um influxo de cálcio. Por meio de uma cascata de sinalização de proteína que requer Erk, CaM KII / IV, PI3K e PLC, a ativação do receptor NMDA é capaz de desencadear a transcrição do exon IV do BDNF. A expressão do exon IV do BDNF também parece capaz de estimular ainda mais sua própria expressão por meio da ativação de TrkB. O BDNF é liberado da membrana pós-sináptica de maneira dependente da atividade, permitindo que atue nos receptores TrkB locais e medeie efeitos que podem levar a cascatas de sinalização envolvendo também Erk e CaM KII / IV. [32] [33] Ambas essas vias provavelmente envolvem a fosforilação mediada por cálcio de CREB em Ser133, permitindo, assim, que ele interaja com o domínio regulatório Cre do BDNF e regule positivamente a transcrição. [34] No entanto, a sinalização do receptor mediada por NMDA é provavelmente necessária para desencadear a suprarregulação da expressão do exon IV do BDNF porque normalmente a interação do CREB com CRE e a tradução subsequente do transcrito do BDNF é bloqueada pela proteína básica do fator de transcrição da hélice-alça-hélice 2 (BHLHB2). [35] A ativação do receptor NMDA desencadeia a liberação do inibidor regulador, permitindo que a suprarregulação do exon IV do BDNF ocorra em resposta ao influxo de cálcio iniciado pela atividade. [35] A ativação do receptor de dopamina D5 também promove a expressão de BDNF em neurônios do córtex pré-frontal. [36]

O BDNF tem vários polimorfismos de nucleotídeo único (SNP) conhecidos, incluindo, mas não se limitando a, rs6265, C270T, rs7103411, rs2030324, rs2203877, rs2049045 e rs7124442. Em 2008, rs6265 é o SNP mais investigado do BDNF gene [37] [38]

Val66Met Edit

Um SNP comum no gene BDNF é rs6265. [39] Esta mutação pontual na sequência de codificação, uma troca de guanina para adenina na posição 196, resulta em uma troca de aminoácido: valina para troca de metionina no códon 66, Val66Met, que está no prodomínio do BDNF. [39] [38] Val66Met é exclusivo para humanos. [39] [38]

A mutação interfere na tradução normal e no tráfego intracelular do mRNA do BDNF, pois desestabiliza o mRNA e o torna sujeito à degradação. [39] As proteínas resultantes do mRNA que é traduzido, não são traficadas e secretadas normalmente, pois a mudança de aminoácidos ocorre na porção do prodomínio onde a sortilina se liga e a sortilina é essencial para o tráfico normal. [39] [38] [40]

A mutação Val66Met resulta em uma redução do tecido hipocampal e desde então foi relatada em um grande número de indivíduos que sofrem de distúrbios de aprendizagem e memória, [38] distúrbios de ansiedade, [41] depressão maior [42] e doenças neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson. [43]

Uma meta-análise indica que a variante BDNF Val66Met não está associada ao BDNF sérico. [44]

Editar sinalização glutamatérgica

O glutamato é o principal neurotransmissor excitatório do cérebro e sua liberação pode desencadear a despolarização dos neurônios pós-sinápticos. Os receptores AMPA e NMDA são dois receptores ionotrópicos de glutamato envolvidos na neurotransmissão glutamatérgica e essenciais para o aprendizado e a memória por meio da potencialização de longo prazo. Enquanto a ativação do receptor AMPA leva à despolarização via influxo de sódio, a ativação do receptor NMDA por disparos sucessivos rápidos permite o influxo de cálcio além do sódio. O influxo de cálcio desencadeado pelos receptores NMDA pode levar à expressão do BDNF, bem como de outros genes que se acredita estarem envolvidos na LTP, dendritogênese e estabilização sináptica.

Editar atividade do receptor NMDA

A ativação do receptor NMDA é essencial para produzir as mudanças moleculares dependentes da atividade envolvidas na formação de novas memórias. Após a exposição a um ambiente enriquecido, os níveis de fosforilação de BDNF e NR1 são regulados positivamente simultaneamente, provavelmente porque o BDNF é capaz de fosforilar subunidades de NR1, além de seus muitos outros efeitos. [45] [46] Uma das principais maneiras pelas quais o BDNF pode modular a atividade do receptor NMDA é por meio da fosforilação e ativação da subunidade do receptor NMDA, particularmente no sítio Ser-897 de PKC. [45] O mecanismo subjacente a essa atividade depende das vias de sinalização ERK e PKC, cada uma agindo individualmente, e toda a atividade de fosforilação de NR1 é perdida se o receptor TrKB for bloqueado. [45] PI3 quinase e Akt também são essenciais na potenciação induzida por BDNF da função do receptor NMDA e a inibição de qualquer uma das moléculas do receptor completamente eliminado acBDNF também pode aumentar a atividade do receptor NMDA por meio da fosforilação da subunidade NR2B. A sinalização do BDNF leva à autofosforilação do domínio intracelular do receptor TrkB (ICD-TrkB). Após a autofosforilação, Fyn se associa com o pICD-TrkB através de seu domínio de homologia Src 2 (SH2) e é fosforilado em seu local Y416. [47] [48] Uma vez ativado, Fyn pode se ligar a NR2B por meio de seu domínio SH2 e mediar a fosforilação de seu sítio Tyr-1472. [49] Estudos semelhantes sugeriram que Fyn também é capaz de ativar NR2A, embora isso não tenha sido encontrado no hipocampo. [50] [51] Assim, o BDNF pode aumentar a atividade do receptor NMDA por meio da ativação de Fyn. Isso tem se mostrado importante para processos como a memória espacial no hipocampo, demonstrando a relevância terapêutica e funcional da ativação do receptor NMDA mediada pelo BDNF. [50]

Edição de estabilidade da sinapse

Além de mediar os efeitos transitórios na ativação NMDAR para promover alterações moleculares relacionadas à memória, o BDNF também deve iniciar efeitos mais estáveis ​​que podem ser mantidos em sua ausência e não dependem de sua expressão para suporte sináptico de longo prazo. [52] Foi mencionado anteriormente que a expressão do receptor AMPA é essencial para o aprendizado e a formação da memória, pois esses são os componentes da sinapse que se comunicam regularmente e mantêm a estrutura e a função da sinapse muito após a ativação inicial dos canais NMDA. O BDNF é capaz de aumentar a expressão de mRNA de GluR1 e GluR2 por meio de sua interação com o receptor TrkB e promover a localização sináptica de GluR1 via fosforilação Ser-831 mediada por PKC e CaMKII. [53] Também parece que o BDNF é capaz de influenciar a atividade Gl1 por meio de seus efeitos na atividade do receptor NMDA. [54] O BDNF aumentou significativamente a ativação de GluR1 por meio da fosforilação da tirosina830, um efeito que foi abolido na presença de um antagonista NR2B específico ou de um inibidor da tirosina quinase do receptor trk. Assim, parece que o BDNF pode regular positivamente a expressão e a localização sináptica dos receptores AMPA, bem como aumentar sua atividade por meio de suas interações pós-sinápticas com a subunidade NR2B. Isso sugere que o BDNF não só é capaz de iniciar a formação de sinapses por meio de seus efeitos na atividade do receptor NMDA, mas também pode dar suporte à sinalização diária regular necessária para a função de memória estável.

Editar sinalização GABAérgica

Um mecanismo através do qual o BDNF parece manter níveis elevados de excitação neuronal é através da prevenção das atividades de sinalização GABAérgica. [55] Enquanto o glutamato é o principal neurotransmissor excitatório do cérebro e a fosforilação normalmente ativa os receptores, o GABA é o neurotransmissor inibitório primário do cérebro e a fosforilação dos receptores GABAA tende a reduzir sua atividade. [ esclarecimento necessário ] O bloqueio da sinalização de BDNF com um inibidor de tirosina quinase ou um inibidor de PKC em camundongos de tipo selvagem produziu reduções significativas nas frequências do potencial de ação espontânea que foram mediadas por um aumento na amplitude das correntes pós-sinápticas inibitórias GABAérgicas (IPSC). [55] Efeitos semelhantes podem ser obtidos em camundongos knockout para BDNF, mas esses efeitos foram revertidos pela aplicação local de BDNF. [55] Isso sugere que o BDNF aumenta a sinalização sináptica excitatória em parte por meio da supressão pós-sináptica da sinalização GABAérgica pela ativação de PKC por meio de sua associação com TrkB. [55] Uma vez ativado, o PKC pode reduzir a amplitude dos IPSCs até a fosforilação e inibição do receptor GABAA. [55] Em apoio a este mecanismo putativo, a ativação de PKCε leva à fosforilação do fator sensível a N-etilmaleimida (NSF) na serina 460 e treonina 461, aumentando sua atividade ATPase que diminui a expressão da superfície do receptor GABAA e, subsequentemente, atenua as correntes inibitórias. [56]

Edição de sinaptogênese

O BDNF também aumenta a sinaptogênese. A sinaptogênese depende da montagem de novas sinapses e da desmontagem de antigas sinapses pela β-aducina. [57] As aducinas são proteínas esqueléticas da membrana que cobrem as extremidades de crescimento dos filamentos de actina e promovem sua associação com a espectrina, outra proteína do citoesqueleto, para criar redes citoesqueléticas estáveis ​​e integradas. [58] As actinas têm uma variedade de funções no funcionamento sináptico. Em neurônios pré-sinápticos, as actinas estão envolvidas no recrutamento da vesícula sináptica e na recuperação da vesícula após a liberação do neurotransmissor. [59] Em neurônios pós-sinápticos, eles podem influenciar a formação e retração da coluna dendrítica, bem como a inserção e remoção do receptor AMPA. [59] Em seu terminal C, as aducinas possuem um domínio substrato de quinase C rico em alanina miristoilada (MARCKS) que regula sua atividade de capeamento. [58] O BDNF pode reduzir as atividades de capeamento por meio da regulação positiva de PKC, que pode se ligar ao domínio MRCKS de adução, inibir a atividade de capeamento e promover a sinaptogênese por meio do crescimento e desmontagem da coluna dendrítica e outras atividades. [57] [59]

Dendritogênese Editar

A interação local do BDNF com o receptor TrkB em um único segmento dendrítico é capaz de estimular um aumento no tráfego de PSD-95 para outros dendritos separados, bem como para as sinapses de neurônios estimulados localmente. [60] O PSD-95 localiza as GTPases, Rac e Rho, que remodelam a actina, em sinapses por meio da ligação de seu domínio PDZ à kalirina, aumentando o número e o tamanho das espinhas. [61] Assim, o tráfego induzido pelo BDNF de PSD-95 para dendritos estimula a remodelação de actina e causa crescimento dendrítico em resposta ao BDNF.

O BDNF desempenha um papel significativo na neurogênese. O BDNF pode promover vias protetoras e inibir vias prejudiciais nos NSCs e NPCs que contribuem para a resposta neurogênica do cérebro, aumentando a sobrevivência celular. Isso se torna especialmente evidente após a supressão da atividade de TrkB. [30] A inibição de TrkB resulta em um aumento de 2–3 vezes nos precursores corticais exibindo núcleos apoptóticos condensados ​​EGFP-positivos e um aumento de 2–4 vezes nos precursores corticais que coram imunopositivos para caspase-3 clivada. [30] O BDNF também pode promover a proliferação de NSC e NPC por meio da ativação de Akt e inativação de PTEN. [62] Muitos estudos in vivo demonstraram que o BDNF é um forte promotor da diferenciação neuronal. [30] [63] A infusão de BDNF nos ventrículos laterais dobrou a população de neurônios recém-nascidos no bulbo olfatório de rato adulto e a superexpressão viral de BDNF pode aumentar de forma semelhante a neurogênese da SVZ. [16] [17] [63] O BDNF também pode desempenhar um papel na migração NSC / NPC. Ao estabilizar o p35 (CDK5R1), estudos de eletroporação no útero revelaram que o BDNF foi capaz de promover a migração radial cortical por

230% em ratos embrionários, efeito que dependia da atividade do receptor trkB. [64]

A habitação enriquecida oferece a oportunidade para exercícios e exposição a estímulos multimodais. O aumento da estimulação visual, física e cognitiva se traduz em mais atividade neuronal e comunicação sináptica, que pode produzir alterações estruturais ou dependentes da atividade molecular. [65] [66] As entradas sensoriais de estímulos ambientais são inicialmente processadas pelo córtex antes de serem transmitidas ao hipocampo ao longo de uma via aferente, sugerindo que os efeitos do enriquecimento mediados pela atividade podem ser de longo alcance dentro do cérebro. [66] A expressão do BDNF é significativamente aprimorada pelo enriquecimento ambiental e parece ser a fonte primária da capacidade dos enriquecimentos ambientais de melhorar os processos cognitivos. O enriquecimento ambiental aumenta a sinaptogênese, dendridogênese e neurogênese, levando a um melhor desempenho em várias tarefas de aprendizagem e memória. O BDNF medeia mais vias envolvidas nesses processos induzidos pelo enriquecimento do que qualquer outra molécula e é fortemente regulado pela atividade do cálcio, tornando-o incrivelmente sensível à atividade neuronal.

Vários estudos mostraram possíveis ligações entre o BDNF e condições, como depressão, [67] [68] esquizofrenia, [69] transtorno obsessivo-compulsivo, [70] doença de Alzheimer, [71] doença de Huntington, [72] síndrome de Rett, [ 73] e demência, [74] bem como anorexia nervosa [75] e bulimia nervosa. [76] Níveis aumentados de BDNF podem induzir uma mudança para um estado de recompensa dependente de opiáceos quando expresso na área tegmental ventral em ratos. [77]

Em 2002, os ensaios clínicos nos quais o BDNF foi administrado ao sistema nervoso central (SNC) de humanos com várias doenças neurodegenerativas falharam. [78]

Esquizofrenia Editar

Uma infinidade de evidências recentes sugere a ligação entre a esquizofrenia e o BDNF. [79] Given that BDNF is critical for the survival of central nervous system (CNS) and peripheral nervous system (PNS) neurons and synaptogenesis during and even after development, BDNF alterations may play a role in the pathogenesis of schizophrenia. BDNF has been found within many areas of the brain and plays an important role in supporting the formation of memories. [15] It has been shown that BDNF mRNA levels are decreased in cortical layers IV and V of the dorsolateral prefrontal cortex of schizophrenic patients, an area that is known to be involved with working memory. [80] Since schizophrenic patients often suffer from impairments in working memory, and BDNF mRNA levels have been shown to be decreased in the DLPFC of schizophrenic patients, it is highly likely that BDNF plays some role in the etiology of this neurodevelopmental disorder of the CNS.

Edição Depressão

Exposure to stress and the stress hormone corticosterone has been shown to decrease the expression of BDNF in rats, and, if exposure is persistent, this leads to an eventual atrophy of the hippocampus. Atrophy of the hippocampus and other limbic structures has been shown to take place in humans suffering from chronic depression. [81] In addition, rats bred to be heterozygous for BDNF, therefore reducing its expression, have been observed to exhibit similar hippocampal atrophy. This suggests that an etiological link between the development of depression and BDNF exists. Supporting this, the excitatory neurotransmitter glutamate, voluntary exercise, [82] caloric restriction, intellectual stimulation, and various treatments for depression such as antidepressants [83] increase expression of BDNF in the brain. There is evidence that antidepressant drugs protect against or reverse hippocampal atrophy. [84]

Doença de Alzheimer Editar

Post mortem analysis has shown lowered levels of BDNF in the brain tissues of people with Alzheimer's disease, although the nature of the connection remains unclear. Studies suggest that neurotrophic factors have a protective role against amyloid beta toxicity. [85]

Epilepsy Edit

Epilepsy has also been linked with polymorphisms in BDNF. Given BDNF's vital role in the development of the landscape of the brain, there is quite a lot of room for influence on the development of neuropathologies from BDNF. Levels of both BDNF mRNA and BDNF protein are known to be up-regulated in epilepsy. [86] BDNF modulates excitatory and inhibitory synaptic transmission by inhibiting GABAA-receptor-mediated post-synaptic currents. [87] This provides a potential mechanism for the observed up-regulation.

Aging Edit

BDNF levels appear to be highly regulated throughout the lifetime both in the early developmental stages and in the later stages of life. For example, BDNF appears to be critical for the morphological development such as dendrite orientation and number along with soma size. [88] This is important as neuron morphology is critical in behavioral processes like learning and motor skills development. Research has reported that the interaction between BDNF and TrkB (the receptor to BDNF) is highly important in inducing dendritic growth some have noted that the phosphorylation of TrkB by another molecule, cdk5 is necessary for this interaction to occur. [89] Thus, high BDNF and active TrkB interaction appears to be necessary during a critical developmental period as it is regulatory in neuron morphology.

Although BDNF is needed in the developmental stages, BDNF levels have been shown to decrease in tissues with aging. [90] Studies using human subjects have found that hippocampal volume decreases with decreasing plasma levels of BDNF. [91] Although this does not mean BDNF necessarily impacts hippocampal volume, it does suggest there is a relationship that might explain some of the cognitive decline that occurs during aging.

Miscellaneous Edit

BDNF is a critical mediator of vulnerability to stress, memory of fear/trauma, and stress-related disorders such as post-traumatic stress disorder. [92]

Variants close to the BDNF gene were found to be associated with obesity in two very large genome-wide association studies of body mass index (BMI). [93] [94]

High levels of BDNF and Substance P have been associated with increased itching in eczema. [95]

BDNF is a regulator of drug addiction and psychological dependence. Animals chronically exposed to drugs of abuse show increased levels of BDNF in the ventral tegmental area (VTA) of the brain, and when BDNF is injected directly into the VTA of rats, the animals act as if they are addicted to and psychologically dependent upon opiates. [77]

BDNF is a short-term promoter, [96] but a long-term inhibitor of pain sensitivity, as a result of its effect as inducer of neuronal differentiation. [97] The polymorphism Thr2Ile may be linked to congenital central hypoventilation syndrome. [98] [99] BDNF and IL-6 might be involved in the pathogenesis of post-chemotherapy cognitive impairment (PCCI, also known as chemo brain) and fatigue. [100]


Myelin in the Central Nervous System: Structure, Function, and Pathology

Oligodendrocytes generate multiple layers of myelin membrane around axons of the central nervous system to enable fast and efficient nerve conduction. Until recently, saltatory nerve conduction was considered the only purpose of myelin, but it is now clear that myelin has more functions. In fact, myelinating oligodendrocytes are embedded in a vast network of interconnected glial and neuronal cells, and increasing evidence supports an active role of oligodendrocytes within this assembly, for example, by providing metabolic support to neurons, by regulating ion and water homeostasis, and by adapting to activity-dependent neuronal signals. The molecular complexity governing these interactions requires an in-depth molecular understanding of how oligodendrocytes and axons interact and how they generate, maintain, and remodel their myelin sheaths. This review deals with the biology of myelin, the expanded relationship of myelin with its underlying axons and the neighboring cells, and its disturbances in various diseases such as multiple sclerosis, acute disseminated encephalomyelitis, and neuromyelitis optica spectrum disorders. Furthermore, we will highlight how specific interactions between astrocytes, oligodendrocytes, and microglia contribute to demyelination in hereditary white matter pathologies.


Brain Scene Investigation: Clive Wearing’s Fleeting Memory

As Deborah Wearing entered the room, her husband Clive ran to her, passionately calling her name and kissing her as soon as they embraced. To a casual onlooker it would have seemed obvious that the couple had been apart from one another for a long time. However, in this case, Deborah had just stepped out of the room momentarily. Each time she entered the room she would receive Clive’s passionate welcome. This bizarre scenario wasn’t surprising to Deborah, at least not at this point. It had characterized each and every reunion with her husband for years.

Clive’s unique situation resulted from an illness that had appeared in the spring of 1985, with symptoms that he originally thought nothing of. But when his symptoms persisted–chronic headache, sleepless nights, fever, and mental confusion—Clive’s doting wife, Deborah, called the doctor, who suggested that Clive had the flu. Hence, Clive and Deborah did not have any warning that, when Clive woke up on Tuesday, March 26, 1985, his conscious experience would be forever altered. Although Clive retained his fundamental level of intelligence and unimpaired use of his sensory and perceptual systems, each moment of his life was almost completely erased each time he blinked.

Nine years after the onset of Clive’s illness, Deborah walked into his room, and Clive asked her how long he had been ill. When Deborah said that it was nine years, Clive returned with, “Nine years! Good heavens! Nine years….I haven’t heard anything, seen anything, felt anything, smelled anything, touched anything. It’s been one long night lasting….how long?” (Wearing, 2005, p. 333) When Deborah asked him to write how he felt, Clive responded, “I am completely incapable of thinking” (Wearing, 2005, p. 155).

Clive’s altered experience is passionately expressed in his daily journal entries. Each time he awoke from a night’s sleep, or even blinked, seemed like his first awakening from an endless unconsciousness, and he thought the momentous occasion should be documented. Clive would document the time and then proclaim that he was finally completely awake, often beckoning for his beloved wife to come as quickly as possible. Seeing very similar entries in his journal that were written just minutes before his latest profound entry, however, created frustration and angst in Clive. His response was to declare the older journal entries rubbish and to try to add superlatives to each new entry…reporting that it was indeed the first time he had been fully awake or using all capital letters and exclamation points, anything to distinguish the event from the endless similar reports that preceded it.

Once Clive was admitted to the hospital, it was obvious to his doctors that his mental confusion was not a symptom of the flu. Eleven hours following his admission, a diagnosis was presented to Clive and Deborah. It appeared that encephalitis, an inflammation of the brain caused by the herpes simplex virus, was the culprit. Brain scans indicated diffuse damage throughout the cortical areas of Clive’s brain—the temporal, occipital, parietal, and frontal lobes. More noteworthy to the neurologists, however, was the virus’s meticulous and complete destruction of one specific area of Clive’s brain, the hippocampus. As you learned in Chapter 2, the hippocampus is involved in learning and memory. Clive’s case certainly corroborated past evidence that the hippocampus plays a starring role in the formation of memories.

From a psychological perspective, Clive obviously could no longer establish memories for events such as taking a bite of his favorite food, celebrating a birthday with his family, or spending a day with his wife. Interestingly, in some cases he knew things that he couldn’t specifically remember. For example, he couldn’t remember his wedding, but knew Deborah was his wife he had no memory of ever conducting a concert, but knew he was a musician. In fact, his amnesia, or memory loss, didn’t affect his ability to, after declaring no memory for a musical score, sit down, and play it beautifully on the piano. The survival of a subset of Clive’s memories provides evidence for the existence of various types of memory systems that will be discussed throughout this chapter.

Nearly 30 years after Clive’s brain injury, his condition hasn’t changed. Deborah regularly visits her husband in an assisted living facility, experiencing his endless dramatic proclamations of his love for her—perhaps his most enduring memory. They both have accepted that Clive’s life consists of instantaneous scenes…a literal translation of “living in the moment.”


Executive functions of the frontal lobes

The frontal lobes are the part of the brain most remote from sensory input and whose functions are the most difficult to capture. They can be thought of as the executive that controls and directs the operation of brain systems dealing with cognitive function. The deficits seen after frontal lobe damage are described as a “dysexecutive syndrome.”

Frontal lobe damage can affect people in any of several ways. On the one hand, they may have difficulty initiating a task or a behaviour, in extreme cases being virtually unable to move or speak, but more often they will simply have difficulty in initiating a task. On the other hand, individuals with frontal lobe damage may perservate, being apparently unable to stop a behaviour once it is started. Rather than appearing apathetic and hypoactive, patients may be uninhibited and may appear rude. Such people may also have difficulty in planning and problem solving and may be incapable of creative thinking. Mild cases of this deficit may be determined by a difficulty in solving mental arithmetic problems that are filled with words, even though the patient is capable of remembering the question and performing the required calculation. In such cases it appears that the patient simply cannot select the appropriate cognitive strategy to solve the problem.

A unifying theme in these disorders is the notion of inadequate control of organization of pieces of behaviour that may in themselves be well formed. Patients with frontal lobe damage are easily distracted. Although their deficits may be superficially less dramatic than those associated with posterior lesions, they can have a drastic effect on everyday function. Irritability and personality change are also frequently seen after frontal lobe damage.


Structure and Function of the

The shark brain has long been impugned as being tiny, simple, and relatively unimportant. Superficial examinations of the brain of small, evolutionarily conservative sharks such as the Spiny Dogfish (Squalus acanthias) seemed to bear this out. Experiments severing the spinal cord of swimming dogfishes, so that the brain could no longer co-ordinate swimming movements, have demonstrated that these sharks can continue to swim for several hours although they no longer respond to changes in their swimming environment. Sharks were therefore dismissed as primitive, stupid automatons functioning almost exclusively on the basis of brutish instinct. By painting all sharks with the same biased brush, we have arrogantly denied their biological diversity and grossly underestimated their mental capabilities.

It turns out that the brains of at least some sharks are surprisingly large and complex. Numerous popular writers have characterized the brain of a full-grown White Shark as being about the size of a walnut. While this description creates a vivid mental image, it is inaccurate and highly misleading. In truth, this includes only one part of the White Shark brain, the cerebrum . The complete brain of an adult, 16-foot (5-metre) White Shark is Y-shaped and from scent-detecting bulbs to brainstem measures about 2 feet (60 centimetres) long. In comparison, the brain of an adult human is composed of two, wrinkly hemispheres and is about the size of half a cabbage. Of course, a full-grown White Shark is much more massive than an adult human: a 16-foot Great White weighs about 2,700 pounds (1,230 kilograms), while an 'average' adult human males and females combined weighs about 165 pounds (75 kilograms). Since large animals tend to have larger brains than small animals, a more meaningful comparison is brain weight versus body weight. In this way, the relative weight of brain tissue for each pound (or kilogram) of body weight can be readily compared among even highly dissimilar species.

A ground-breaking 1996 paper by Leo Demski and R. Glenn Northcutt examined the size and basic morphology of the White Shark brain. As their study subject, Demski and Northcutt obtained the head from a mature male White Shark that originally measured 11.75 feet (3.6 metres) in length and weighed about 950 pounds (430 kilograms). They found that its brain weighed only 1.2 ounces (35 grams), which works out to 0.008 percent of its total body weight. In comparison, the brain of a typical adult human weighs about 48 ounces (1,400 grams), or about 1.9 percent of total body weight. Thus, for each pound (or kilogram) of body weight, humans have about 238 times more brain mass than White Sharks. Yet the brains of White Sharks and humans are shaped, structured, and organized very differently from one another. Since we do not well understand how these differences affect mental capabilities, it is prudent to compare the brain weight-to-body weight ratio of the Great White to that of other sharks.

French anatomist Roland Bauchot and his co-workers have made extensive comparative studies of brain weight-to-body weight ratios in cartilaginous fishes. In an ambitious 1995 paper, Bauchot et alii survey brain size and development in 81 species of sharks, rays and chimaeras, allowing comparison with Demski and Northcutt's 1996 findings about the White Shark brain. The brain of the White Shark is relatively large compared with that of dogfishes (family Squalidae) and skates (Rajidae), but relatively small compared with that of whaler sharks (Carcharhinidae) and stingrays (Dasyatidae). Interestingly, the Manta and devil rays (subfamily Mobulinae) have the largest brains relative to their body weight of any elasmobranch studied to date. Why these gentle plankton-grazers have evolved such large brains remains a mystery. The smallest brain among elasmobranchs is found in the Angelshark (Squatina squatina), which is a bottom-dwelling, lie-in-wait piscivore with few predators. Evidently, this lifestyle does not require a huge brain. Among lamnoids the shark order which includes the Great White the toothy but phlegmatic Sandtiger Shark (Carcharias taurus) has the largest brain relative to its body size, with a brain weight-body weight ratio overlapping those of some whaler sharks. In contrast, the Basking Shark (Cetorhinus maximus) has proportionately the smallest brain among lamnoids, which may reflect its placid filter-feeding habits (it doesn't take much brainpower to outwit plankton). Therefore, compared with other actively predaceous sharks, the Great White has a brain that is roughly medium-sized relative to its body weight. In absolute terms, however, the brain of a White Shark can grow quite large because the animal itself can attain prodigious size.

Despite its sometimes impressive dimensions, the brain of the White Shark is a marvelously compact structure . Composed of countless millions of neurons (nerve cells) and supporting structures, the Great White's brain co-ordinates virtually all of its activities from protrusion of its jaws to delicately grasp a novel object to the thrashing of its tail to ward off a competitor. Unlike the brain of humans and most other mammals, that of the Great White is not rolled into a ball and most parts are easy to see. The White Shark's brain is arranged in a more-or-less linear fashion, with specialized regions strung along like pearls. These regions can be conveniently grouped into hind-, mid-, and fore-brain, each of which is dedicated to a constellation of related functions.

According to Demski and Northcutt, the overall structure of the White Shark brain is fairly generalized , similar to that of the closely-related Shortfin Mako (Isurus oxyrinchus) and Basking Sharks. As in other sharks, the spinal cord of the Great White enters the back of the skull and merges imperceptibly with the hindbrain. The hindbrain forms the base of the Y and consists of two main parts, the brainstem and cerebellum. The White Shark's brainstem bristles with the posterior cranial nerves. These include nerves responsible for conveying input from the shark's inner ear, lateral line and electrosensory systems. Although the cranial nerves are astonishingly thick (some were initially mistaken for muscles), Demski and Northcutt were unimpressed with the brain centers responsible for analyzing acoustic, vibratory, or electric stimuli. They concluded that these senses are probably relatively unimportant to the White Shark. The White Shark's hindbrain also contains the brain center ( amygdaloid nucleus ) that probably mediates instinctive fight-or-flight responses. Therefore, much as you or I might withdraw our hand or foot before we fully realize we have been punctured by a splinter, a Great White's 'decision' to attack or flee in self-defense apparently occurs at a very basic level, below that of learned responses in the neural hierarchy of the shark brain. The White Shark's cerebellum is perched atop the anterior part of its brainstem. This structure is quite large and well-developed in the Great White, highly convoluted and folded so that it is asymmetrical. As in humans, the White Shark's cerebellum is responsible for muscular co-ordination, especially in response to sensory input. Thus, when a White Shark flinches in response to a sudden loud noise or veers toward a novel vibration or attractive electrical signal, it is obeying signals from its cerebellum.

The top of the White Shark's midbrain features a pair of prominent swellings. These are the optic lobes , which are responsible for coordinating visual input. The central area of the White Shark's midbrain that mediates visual discrimination is relatively small. Based on this, Demski and Northcutt suggest that this species may be less adept at resolving fine details than certain other sharks. However, the 1985 study of the White Shark visual system by Samuel Gruber and Joel Cohen reported in the previous chapter suggests that vision is well-developed in this species. Since the optic nerves and eyes are actually extensions of the brain itself, image discrimination including fine detail and color in the White Shark may be taken over directly by its specialized retina. Vision is clearly very important to the predatory and social life of the Great White. It has thick optic nerves and large eyes controlled by massive muscles that not only rotate the eyeballs within their sockets but also generate significant metabolic heat. This heat, in turn, may allow faster processing of visual information and increase the efficiency of visual and other neural activity. While all these features suggest that the White Shark has excellent vision, we do not know whether this is true. Formal behavioral experiments to test what White Sharks can and cannot see have not yet been carried out. Thus, for the time being, only the Great White knows for certain what it actually sees through its large, dark eyes.

The White Shark's forebrain , however, may be the neural region of greatest popular and scientific interest. The anterior forebrain of the Great White consists of the olfactory (scent-detecting) organs and the cerebral hemispheres the part of the brain responsible for learning and memory. It had long been thought that some 70% of the shark brain is dedicated to the sense of smell. We now know that this startling figure is based on a major misinterpretation of how the shark brain is organized. In most vertebrates, the olfactory bulbs are connected to the front of the cerebral hemispheres. It was assumed that the same arrangement occurred in sharks. But elasmobranchs are unique among vertebrates in that the olfactory tracts forming the branches of the Y-shaped brain fuse to the sides of the cerebral hemispheres. This arrangement creates a false impression that the olfactory organs extend far tailward and that the cerebrum is tiny and relatively insignificant. Even today, many modern comparative anatomy and neurobiology textbooks continue to incorrectly label shark cerebral hemispheres " olfactory bulbs ", perpetuating the myth that sharks are mindless eating machines led around by a phenomenal sense of smell.

The White Shark's olfactory organs are huge, with long olfactory tracts and well developed lamellae which increase their surface area and thus greatly enhance sensitivity. Of all the features of the Great White's brain, the complexity and sheer massiveness of the olfactory organs most impressed Demski and Northcutt. Based on the exceptional development of these structures, Demski and Northcutt suggest that detection of olfactory stimuli may be extremely important to the White Shark. Olfactory cues likely to be of particular importance to White Sharks are: detection and identification of potential prey recognition of various environmental markers, such as estuaries which may serve as nursery areas or harbor concentrations of prey and perhaps most importantly recognition of individual members of their species, including potential mates. In the visually concealing medium of the sea, the Great White may live in a perceptual universe dominated by scent.

But perception is only a single component of behavior. Once a stimulus is received and interpreted by the appropriate brain centers, the animal must decide how to act upon it: ignore, investigate, intimidate or evade. Whatever 'thinking' a White Shark does occurs primarily in its cerebral hemispheres. According to Demski and Northcutt, the Great White's cerebrum is not exceptional, being moderate in size and degree of folding. The central area of the cerebrum is thought to be responsible for home ranging and social behavior in sharks. This region is small in the White Shark compared with that of whaler sharks. In addition, like that of other sharks, the brain of the Great White is mostly hollow perforated by a series of irregular, interconnected chambers ( ventricles ) and filled with a complex fluid ( cerebrospinal fluid ) that probably helps regulate the brain chemically. These brain chambers, called ventricles, are particularly large in the White shark, resulting in a brain composed of an unusually thin 'shell' of nerve tissue. Based on these features, Demski and Northcutt suggest that the White Shark may not patrol well-defined home ranges or exhibit dynamic social hierarchies as in the more cerebral, thicker-brained carcharhinids. Yet recent research off California, South Australia, and South Africa suggest that White Sharks move through their environment in fairly predictable patterns and seem to exhibit display behaviors that serve to establish which individuals are dominant and which submissive. We know so little about how the physical structure of the brain is manifested in that elusive specter we call 'mind', it seems premature to dismiss the mental capabilities of the White Shark based on the relative size of parts of its brain.

It is also worth bearing in mind that brains do more than think . For example in addition to the olfactory organs and cerebral hemispheres the forebrain also contains two intimately related structures, the hypothalamus and pituitary gland. Slung below the optic lobes of the Great White's brain, the hypothalamus is important in regulating many activities vital to its survival. The hypothalamus produces hormones (chemical messengers) that regulate bodily processes and contains centers that control such life-sustaining activities as heartbeat, body temperature, metabolic rate, osmoregulation (internal salt and water balance), food intake, and digestion. Electrical stimulation of the hypothalamus has revealed that biting is also controlled by this multi-talented structure. Protruding from the top of the hypothalamus is the epiphysis, which is sensitive to day length and perhaps position of the sun it may therefore may provide information useful for coordinating navigation and migration. The hypothalamus regulates the pituitary gland and as a result elegant feedback mechanisms much of its activity is, in turn, regulated by the pituitary gland. The pituitary has been called the "master endocrine gland", as it secretes the hormones that control most other ductless, hormone-secreting glands. Directly or indirectly, the pituitary controls virtually every aspect of maintaining an optimal internal milieu blood pressure, blood sugar levels, kidney activity, growth, calcium budget, metabolic rate, blood testosterone levels, ovulation, uterine contraction, and many, many others. The hypothalamus-pituitary gland system thus quietly controls many biological processes that underlie some of the Great White's most spectacular and evolutionarily vital behaviors including feeding and mating.

How the White Shark translates sensory input and its brain's internal chemistry to behavioral output largely remains a mystery. But why sharks in general have such large complex brains is far less so. A large White Shark has a brain that may measure 18 to 24 inches (45 to 60 centimetres) from the olfactory organs to the brainstem and features a relatively large, complexly folded cerebrum. Yet a scaled-up goldfish or salmon could make do with a fraction the cerebral endowment of a White Shark. All of which begs the question: what does a Great White think with all that brain?

Men's brains are roughly the same size as those of women, but on average women's bodies are smaller and lighter than their male counterparts'. As a result, the brain of a woman is typically about 2.2% of her body weight proportionally some 27% larger than a man's. Make of that what you will. [Back to Text]


The Brain Stem

o tronco cerebral is part of the hindbrain along with the cerebellum and extends down toward the spinal cord. The brain stem relays sensory information between the spinal cord and the parietal lobe, such as temperature, pain and spatial awareness. The brain stem also controls involuntary body functions.

Two structures that are part of the brain stem are the pons e a medula. The pons controls involuntary eye functions such as blinking and tearing. Basic involuntary life functions are controlled by the medulla, including: