Sistemas Sensoriais/Sistema Vestibular

Introdução

A função principal do sistema balanço, ou sistema vestibular, é de sentir os movimentos da cabeça, especialmente os involuntários, e combatê-los com movimentos oculares reflexivos e ajustes posturais que mantêm o mundo visual estável e nos impedem de cair. Um artigo excelente e mais extenso acerca do sistema vestibular está disponível na Scholorpedia ^[1].

Uma revisão extensa do nosso conhecimento atual acerca do sistema vestibular pode ser encontrada em "The Vestibular System: a Sixth Sense" de J Goldberg et al ^[2].

Anatomia do sistema vestibular

Labirinto

Junto com a cóclea, o sistema vestibular é transportado pelo sistema de tubos chamado o labirinto membranoso. Esses tubos estão alojados dentro das cavidades do labirinto ósseo localizado no ouvido interno. Um fluido chamado perilinfa preenche o espaço entre o osso e o labirinto membranoso, enquanto um outro chamado endolinfa preenche o interior dos tubos abrangidos pelo labirinto membranoso. Esses fluidos possuem uma composição iônica única, adequada à sua função na regulação do potencial eletroquímico das células ciliadas, que serão, como veremos mais tarde, os transdutores do sistema vestibular. O potencial elétrico da endolinfa é de cerca de 80 mV mais positivo que a perilinfa.

Como nossos movimentos consistem em uma combinação de translações lineares e rotações, o sistema vestibular é composto de duas partes principais: Os órgãos otolíticos, que detectam acelerações lineares e, portanto, também nos fornecem informações sobre a posição da cabeça em relação à gravidade e os canais semicirculares, que detectam as acelerações angulares.

Labirinto ósseo humano (Tomografia computadorizada 3D)	Estrutura interna do labirinto humano

Otólitos

Os órgãos otolíticos das duas orelhas estão localizados em dois sacos membranosos chamados utrículo e sáculo, que primário sente acelerações horizontais e verticais, respectivamente. Cada utricle tem cerca de 30’000 células ciliadas, e cada sáculo cerca de 16’000. Os otólitos estão localizados na parte central do labirinto, também chamado de vestíbulo da orelha. Tanto o utrículo quanto o sáculo têm uma porção espessa da membrana chamada mácula. Uma membrana gelatinosa chamada membrana otolítica fica no topo da mácula, e pedras microscópicas feitas de cristal de carbonato de cálcio, os otólitos, estão embutidas na superfície dessa membrana. No lado oposto, células ciliadas envolvidas em células de suporte se projetam para essa membrana.

Os otólitos são os órgãos sensoriais humanos para aceleração linear. O utrículo (esquerda) é aproximadamente orientado horizontalmente; o sáculo (centro) fica aproximadamente vertical. As setas indicam as direções locais das células ciliadas; e as grossas linhas pretas indicam a localização da striola. À direita, você vê um corte transversal através da membrana otolítica. Os gráficos foram gerados por Rudi Jaeger, enquanto nós cooperamos em investigações da dinâmica do otólito.

Canais semicirculares

Seção transversal através de ampola. Superior: A cúpula abrange o lúmen da ampola da crista ao labirinto membranoso. Parte inferior: Como a aceleração da cabeça excede a aceleração da endolinfa, o fluxo relativo da endolinfa no canal é oposto à direção da aceleração da cabeça. Esse fluxo produz uma pressão através da cúpula elástica, que se desvia em resposta.

Cada orelha tem três canais semicirculares. Eles são meio circulares, tubos membranosos interconectados, preenchidos com endolinfa e podem sentir acelerações angulares nos três planos ortogonais. O raio de curvatura do canal semicircular horizontal humano é de 3,2 mm

^[3].

Os canais de cada lado são aproximadamente ortogonais entre si. A orientação das on-direções dos canais no lado direito são ^[4]:

Canal	X	Y	Z
Horizontal	0.32269	-0.03837	-0.94573
Anterior	0.58930	0.78839	0.17655
Posterior	0.69432	-0.66693	0.27042

(Os eixos são orientados tal que os eixos x, y e z positivos apontam para frente, para a esquerda e para cima, respectivamente. O plano horizontal é definido pela linha de Reid, a linha que conecta a borda inferior da órbita e o centro do canal auditivo externo. E as direções são tais que uma rotação sobre esse vetor, de acordo com a regra da mão direita, excita o canal correspondente.) Os canais semicirculares anterior e posterior são aproximadamente verticais e os canais semicirculares horizontais são aproximadamente horizontais.

Orientação dos canais semicirculares no sistema vestibular. "L / R" significam "Esquerda / Direita", respectivamente, e "H / A / P" para "Horizontal / Anterior / Posterior". As setas indicam a direção do movimento da cabeça que estimula o canal correspondente.

Cada canal apresenta uma dilatação em uma extremidade, chamada a ampola. Cada ampola membranosa contém uma crista de tecido em forma de sela, a crista, que se estende de lado a lado. É coberto por neuroepitélio, com células ciliadas e células de suporte. A partir desta crista sobe uma estrutura gelatinosa, a cúpula, que se estende até o teto da ampola imediatamente acima, dividindo o interior da ampola em duas partes aproximadamente iguais.

Células ciliadas

Os sensores dentro dos órgãos otolíticos e dos canais semicirculares são as células ciliadas. Eles são responsáveis pela transdução de uma força mecânica em um sinal elétrico e constroem a interface entre o mundo das acelerações e o cérebro.

Mecanismo de transdução em células auditivas ou vestibulares. Inclinar a célula de cabelo para o kinocilium abre os canais iônicos de potássio. Isso muda o potencial do receptor na célula de cabelo. A emissão resultante de neurotransmissores pode desencadear um potencial de ação (PA) na célula pós-sináptica.

As células ciliadas possuem um tufo de estereocílios que se projetam de sua superfície apical. O estereocílio mais espesso e mais comprido é o cinocílio. A deflexão dos estereocílios é o mecanismo pelo qual todas as células ciliadas transduzem forças mecânicas. Estereocílios dentro de um feixe estão ligados uns aos outros por filamentos de proteína, chamados ligações de ponta, que se estendem do lado de um estereocílio mais alto até a ponta de seu vizinho mais curto na matriz. Sob deflexão do feixe, os ligações de ponta atuam como molas de proteção para abrir e fechar canais iônicos mecanicamente sensíveis. A excitação do nervo aferente funciona basicamente da seguinte maneira: quando todos os cílios são desviados para o cinocílio, os portões se abrem e os cátions, incluindo os íons potássio da endolinfa rica em potássio, fluem dentro e o potencial de membrana da célula ciliada torna-se mais positivo (despolarização). A própria célula ciliada não dispara potenciais de ação. A despolarização ativa canais de cálcio sensíveis à voltagem no aspecto basolateral da célula. Os íons de cálcio, em seguida, fluem e desencadeiam a liberação de neurotransmissores, principalmente o glutamato, que por sua vez se difunde pelo espaço estreito entre a célula ciliada e um terminal nervoso, onde se ligam aos receptores e desencadeiam um aumento da taxa de disparo dos potenciais de ação no nervo. Por outro lado, a inibição do nervo aferente é o processo induzido pela flexão dos estereocílios do kinocílio (hiperpolarização) e pelo qual a taxa de disparo é diminuída. Porque as células ciliadas estão vazando cronicamente o cálcio, o nervo aferente vestibular atira ativamente em repouso e, assim, permite a sensação de ambas as direções (aumento e diminuição da taxa de disparo). As células ciliadas são muito sensíveis e respondem extremamente rapidamente a estímulos. A rapidez da resposta das células ciliadas pode ser em parte devido ao fato de que elas devem ser capazes de liberar o neurotransmissor com segurança em resposta a um potencial receptor de limiar de apenas 100 µV.

As células ciliadas auditivas são muito semelhantes às do sistema vestibular. Aqui uma imagem de microscópio eletrônico da célula de pelos do sáculo de um sapo.

Células ciliadas regulares e irregulares

Enquanto as células aferentes do sistema auditivo são bastante homogêneas, as do sistema vestibular podem ser separadas em dois grupos: "unidades regulares" e "unidades irregulares". As células ciliadas regulares têm intervalos interespecíficos aproximadamente constantes e disparam constantemente proporcional ao seu deslocamento. Em contraste, o intervalo interespecífico de células ciliadas irregulares é muito mais variável, e sua taxa de descarga aumenta com o aumento da frequência; eles podem, assim, atuar como detectores de eventos em altas frequências. As células regulares e irregulares também diferem em sua localização, morfologia e inervação.

Processamento de sinal

Transdução de Sinal Periférico

Transdução de Aceleração Linear

As células ciliadas dos órgãos otolíticos são responsáveis pela transdução de uma força mecânica induzida por aceleração linear em um sinal elétrico. Porque esta força é o produto da gravidade e movimentos lineares da cabeça,

{\vec {F}}={\vec {F}}_{g}+{\vec {F}}_{inertial}=m({\vec {g}}-{\frac {d^{2}{\vec {x}}}{dt^{2}}})

às vezes é referido como força gravitico-inercial. O mecanismo de transdução funciona mais ou menos da seguinte maneira: As otocônias, cristais de carbonato de cálcio na camada superior da membrana da otocônia, têm uma densidade específica mais alta do que os materiais circundantes. Assim, uma aceleração linear leva a um deslocamento da camada de otocônias em relação ao tecido conjuntivo. O deslocamento é sentido pelas células ciliadas. A curvatura dos cabelos polariza a célula e induz a excitação aferente ou inibição.

Excitação (vermelho) e inibição (azul) no utrículo (esquerda) e no sáculo (direita), quando a cabeça está na orientação da orelha direita para baixo. O deslocamento dos otólitos foi calculado com a técnica dos elementos finitos, e a orientação das células ciliadas foi retirada da literatura.

Enquanto cada um dos três canais semicirculares detecta apenas um componente unidimensional da aceleração rotacional, a aceleração linear pode produzir um padrão complexo de inibição e excitação através das máculas do utrículo e do sáculo. O sáculo está localizado na parede medial do vestíbulo do labirinto no recesso esférico e tem sua mácula orientada verticalmente. O utrículo está localizado acima do sáculo no recesso elíptico do vestíbulo, e sua mácula é orientada aproximadamente horizontalmente quando a cabeça está em pé. Dentro de cada mácula, as cinocilia das células ciliadas estão orientadas em todas as direções possíveis.

Portanto, sob aceleração linear com a cabeça na posição vertical, a mácula sacular está detectando componentes de aceleração no plano vertical, enquanto a mácula utricular codifica a aceleração em todas as direções no plano horizontal. A membrana otolítica é macia o suficiente para que cada célula ciliada seja defletida proporcionalmente à direção da força local. Se denota a direção da sensibilidade máxima ou on-direção da célula ciliada, e a força gravidade-inercial, a estimulação por acelerações estáticas é dada por

stim_{otolith}={\vec {F}}\cdot {\vec {n}}

A direção e a magnitude da aceleração total são então determinadas a partir do padrão de excitação na mácula otolítica.

Transdução de Aceleração Angular

Os três canais semicirculares são responsáveis pela detecção de acelerações angulares. Quando a cabeça acelera no plano de um canal semicircular, a inércia faz com que a endolinfa do canal fique atrás do movimento do canal membranoso. Em relação às paredes do canal, a endolinfa move-se efetivamente na direção oposta à da cabeça, empurrando e distorcendo a cúpula elástica. As células ciliadas estão dispostas sob a cúpula na superfície da crista e têm seus estereocílios se projetando na cúpula. Eles são excitados ou inibidos, dependendo da direção da aceleração.

A estimulação de um canal semicircular humano é proporcional ao produto escalar entre um vetor n (que é perpendicular ao plano do canal) e o vetor omega indicando a velocidade angular.

Isso facilita a interpretação dos sinais do canal: se a orientação de um canal semicircular é descrita pelo vetor unitário n, a estimulação do canal é proporcional à projeção da velocidade angular w nesse canal

stim_{canal}={\vec {\omega }}\cdot {\vec {n}}

O canal semicircular horizontal é responsável por detectar acelerações em torno de um eixo vertical, isto é, o pescoço. Os canais semicirculares anteriores e posteriores detectam as rotações da cabeça no plano sagital, como quando assentindo, e no plano frontal, como quando girando em círculos.

Em uma dada cúpula, todas as células ciliadas estão orientadas na mesma direção. Os canais semicirculares de ambos os lados também funcionam como um sistema push-pull. Por exemplo, porque as cristas do canal horizontal direito e esquerdo são “opostas espelhadas” uma da outra, elas sempre têm respostas opostas (princípio empurrar-puxar) às rotações horizontais da cabeça. A rotação rápida da cabeça para a esquerda causa despolarização das células ciliadas na ampola do canal horizontal esquerdo e aumento do disparo de potenciais de ação nos neurônios que inervam o canal horizontal esquerdo. Essa mesma rotação à esquerda da cabeça causa simultaneamente uma hiperpolarização das células ciliadas na ampola do canal horizontal direito e diminui a taxa de disparo dos potenciais de ação nos neurônios que inervam o canal horizontal da orelha direita. Devido a essa configuração de espelho, não apenas os canais horizontais direito e esquerdo formam um par empurrar-puxar, mas também o canal anterior direito com o canal posterior esquerdo (RALP) e o esquerdo anterior com o posterior direito (LARP).

Vias Vestibulares Centrais

As informações resultantes do sistema vestibular são transportadas para o cérebro, juntamente com as informações auditivas da cóclea, pelo nervo vestibulococlear, que é o oitavo dos doze nervos cranianos. Os corpos celulares dos neurônios aferentes bipolares que inervam as células ciliadas nas máculas e cristas no labirinto vestibular residem próximo ao conduto auditivo interno do gânglio vestibular (também chamado gânglio de Scarpa, figura 10.1). Os axônios centralmente projetados do gânglio vestibular se juntam aos axônios que se projetam dos neurônios auditivos para formar o oitavo nervo, que atravessa o conduto auditivo interno junto com o nervo facial. Os neurônios vestibulares aferentes primários projetam-se para os quatro núcleos vestibulares que constituem o complexo nuclear vestibular no tronco cerebral.

Vestibulo-ocular reflex.

Reflexo Vestíbulo-Ocular (RVO)

Um exemplo extensivamente estudado da função do sistema vestibular é o reflexo vestíbulo-ocular (RVO). A função do RVO é estabilizar a imagem durante a rotação da cabeça. Isso requer a manutenção da posição estável dos olhos durante as rotações horizontais, verticais e torcionais da cabeça. Quando a cabeça gira com certa velocidade e direção, os olhos giram com a mesma velocidade, mas na direção oposta. Como os movimentos da cabeça estão presentes o tempo todo, o RVO é muito importante para estabilizar a visão.

Como o RVO funciona? O sistema vestibular sinaliza a rapidez com que a cabeça está girando e o sistema oculomotor usa essa informação para estabilizar os olhos, a fim de manter a imagem visual imóvel na retina. Os nervos vestibulares se projetam do gânglio vestibular para o complexo nuclear vestibular, onde os núcleos vestibulares integram sinais dos órgãos vestibulares com os da medula espinhal, do cerebelo e do sistema visual. A partir desses núcleos, as fibras se cruzam para o núcleo abducente contralateral. Lá eles fazem sinapse com dois caminhos adicionais. Uma via se projeta diretamente para o músculo reto lateral do olho através do nervo abducente. Outro trato nervoso se projeta do núcleo abducente pelos interneurônios abducentes para os núcleos oculomotores, que contêm neurônios motores que impulsionam a atividade dos músculos oculares, ativando especificamente os músculos retos mediais do olho através do nervo oculomotor. Essa conexão de latência curta é às vezes referida como arco de três neurônios e permite um movimento ocular em menos de 10 ms após o início do movimento da cabeça.

Por exemplo, quando a cabeça gira para a direita, ocorre o seguinte. As células ciliadas do canal horizontal direito despolarizam e a esquerda hiperpolarizou. A atividade aferente vestibular direita, portanto, aumenta enquanto a esquerda diminui. O nervo vestibulococlear então transporta essa informação para o tronco encefálico e a atividade dos núcleos vestibulares direitos aumenta enquanto a esquerda diminui. Isso faz com que, por sua vez, os neurônios do núcleo abducente esquerdo e o núcleo oculomotor direito disparem em maior taxa. Aqueles no núcleo oculomotor esquerdo e no núcleo abducente direito disparam a uma taxa menor. Isso resulta no fato de que o músculo extra-ocular do reto lateral esquerdo e o reto medial direito se contraem, enquanto o reto medial esquerdo e o reto lateral direito relaxam. Assim, ambos os olhos giram para a esquerda.

O ganho do RVO é definido como a mudança no ângulo do olho dividido pela mudança no ângulo da cabeça durante o giro da cabeça

gain={\frac {\Delta _{Eye}}{\Delta _{Head}}}

Se o ganho do RVO está errado, isto é, diferente de um, então os movimentos da cabeça resultam em movimento da imagem na retina, resultando em visão embaçada. Sob tais condições, o aprendizado motor ajusta o ganho do RVO para produzir movimentos oculares mais precisos. Assim, o cerebelo desempenha um papel importante na aprendizagem motora.

O cerebelo e o sistema vestibular

Sabe-se que o controle postural pode ser adaptado para se adequar ao comportamento específico. Experiências com pacientes sugerem que o cerebelo desempenha um papel fundamental nessa forma de aprendizado motor. Em particular, o papel do cerebelo tem sido extensivamente estudado no caso da adaptação do controle vestíbulo-ocular. De fato, foi demonstrado que o ganho do reflexo vestíbulo-ocular se adapta para atingir o valor de um mesmo se ocorrer dano em uma parte da via de RVO ou se for modificado voluntariamente através do uso de lentes de aumento. Basicamente, existem duas hipóteses diferentes sobre como o cerebelo desempenha um papel necessário nessa adaptação. O primeiro de (Ito 1972; Ito 1982) afirma que o próprio cerebelo é o local da aprendizagem, enquanto o segundo de Miles e Lisberger (Miles e Lisberger, 1981) afirma que os núcleos vestibulares são o local da aprendizagem adaptativa enquanto o cerebelo constrói o sinal que impulsiona essa adaptação. Observe que, além de direcionar a entrada excitatória para os núcleos vestibulares, os neurônios sensoriais do labirinto vestibular também fornecem informações para as células de Purkinje nos lóbulos floculo-nodulares do cerebelo por meio de uma via de fibras musgosas e paralelas. Por sua vez, as células de Purkinje projetam uma influência inibitória sobre os núcleos vestibulares. Ito argumentou que o ganho do VOR pode ser adaptativamente modulado, alterando a força relativa das vias direta excitatória e indireta inibitória. Ito também argumentou que uma mensagem de deslizamento da imagem da retina passando pelo núcleo olivar inferior carregado pela fibra de escalada desempenha o papel de um sinal de erro e, portanto, é a influência moduladora das células de Purkinje. Por outro lado, Miles e Lisberger argumentaram que os neurônios do tronco encefálico visados pelas células de Purkinje são o local da aprendizagem adaptativa e que o cerebelo constrói o sinal de erro que impulsiona essa adaptação.

Álcool e o sistema vestibular

Como você pode ou não saber por experiência pessoal, o consumo de álcool também pode induzir uma sensação de rotação. A explicação é bastante simples e basicamente se baseia em dois fatores: i) o álcool é mais leve que a endolinfa; e ii) uma vez no sangue, o álcool entra relativamente rápido na cúpula, pois a cúpula tem um bom suprimento de sangue. Em contraste, difunde-se apenas lentamente na endolinfa, ao longo de algumas horas. Em combinação, isso leva a uma flutuação da cúpula logo após você ter consumido (muito) álcool. Quando você deita de lado, a deflexão das cupulas horizontais esquerda e direita se soma e induz uma forte sensação de rotação. A prova: basta rolar do outro lado - e a direção de rotação percebida vai virar!

Devido à posição das cúpulas, você experimentará o efeito mais forte quando estiver deitado de lado. Quando você se deita de costas, a deflexão da cúpula esquerda e direita compensam uma à outra e você não sente nenhuma rotação horizontal. Isso explica porque pendurar uma perna fora da cama diminui a rotação percebida.

O efeito geral é minimizado na posição vertical da cabeça - então tente ficar em pé (à direita) o máximo possível durante a festa!

Se você bebeu muito, a endolinfa conterá uma quantidade significativa de álcool na manhã seguinte - mais do que a cúpula. Isso explica enquanto, nesse ponto, uma pequena quantidade de álcool (por exemplo, uma cerveja pequena) equilibra a diferença e reduz a sensação de fiação.

↑ Kathleen Cullen and Soroush Sadeghi (2008). Vestibular System. Scholarpedia 3(1):3013.
↑ JM Goldberg, VJ Wilson, KE Cullen and DE Angelaki (2012). The Vestibular System: a Sixth Sense". Oxford University Press, USA.
↑ Curthoys IS and Oman CM (1987). "Dimensions of the horizontal semicircular duct, ampulla and utricle in the human.". Acta Otolaryngol 103: 254–261.
↑ Della Santina CC, Potyagaylo V, Migliaccio A, Minor LB, Carey JB (2005). "Orientation of Human Semicircular Canals Measured by Three-Dimensional Multi-planar CT Reconstruction.". J Assoc Res Otolaryngol 6(3): 191-206.

[1] Kathleen Cullen and Soroush Sadeghi (2008). Vestibular System. Scholarpedia 3(1):3013.

[2] JM Goldberg, VJ Wilson, KE Cullen and DE Angelaki (2012). The Vestibular System: a Sixth Sense". Oxford University Press, USA.

[3] Curthoys IS and Oman CM (1987). "Dimensions of the horizontal semicircular duct, ampulla and utricle in the human.". Acta Otolaryngol 103: 254–261.

[4] Della Santina CC, Potyagaylo V, Migliaccio A, Minor LB, Carey JB (2005). "Orientation of Human Semicircular Canals Measured by Three-Dimensional Multi-planar CT Reconstruction.". J Assoc Res Otolaryngol 6(3): 191-206.

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