Representações gustativas no córtex humano, e o controle central do apetite

Taste representation in the human cortex and the central control of appetite

Representações gustativas no córtex humano, e o controle central do apetite

Taste representation in the human cortex and the central control of appetite

Ivan E de Araújo

Department of Experimental Psychology. University of Oxford. South Parks Road. Oxford, Reino Unido

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

Tem sido estabelecido que o controle da ingestão de nutrientes e o decorrente estado de equilíbrio homeostático dependem de uma série de sinais periféricos que atuam diretamente sobre o sistema nervoso central, levando a respostas adaptativas apropriadas. Entretanto, em humanos, a crescente incidência de patologias produzidas em grande medida por distúrbios da preferência alimentar, tais como obesidade e anorexia, implica no envolvimento do córtex no controle da ingestão de alimentos. Estudos recentes fazendo uso da neuroimagem funcional em voluntários humanos revelam que o processamento central da informação gustativa é implementado em humanos em áreas análogas a de outros primatas. As áreas corticais gustativas primárias, localizadas no complexo ínsulo-opercular, respondem eficientemente durante a decodificação de estímulos externos através do isolamento dos sinais que codificam o estado fisiológico do organismo. As áreas específicas do córtex pré-frontal em sua parte ventro-média parecem, por sua vez, integrar informações acerca dos aspectos sensoriais dos estímulos com os sinais de origem periférica que refletem o estado homeoestático do organismo.

Descritores: Apetite. Córtex cingulado. Gustação. Ínsula/opérculo. Córtex órbito-frontal. Primatas. Sede. Valor de recompensa.

ABSTRACT

The control of food intake and the mechanisms of energy homeostasis are now known to depend on a series of peripheral signals that act directly on the central nervous system leading to appropriate adaptive responses. However, in humans, the increasing occurrence of associated pathologies due to abnormal food-intake preferences such as obesity and anorexia implies that food intake control depend also on cortical processing. Recent functional neuroimaging studies on human volunteers reveal that the central processing of gustatory information in humans is performed in similar areas to those of other primates, with primary gustatory cortical areas in the frontal operculum/anterior insula complex responding efficiently to stimulus decoding by isolating peripheral signals on internal physiological states whereas regions of the ventromedial prefrontal cortex seem to integrate information on the sensory aspects of taste stimuli with the abovementioned peripheral signals on the current homeostatic state of the organism.

Keywords: Appetite. Cingulate cortex. Insula. Orbitofrontal cortex. Primates. Reward value. Taste. Thirst.

Introdução

Recentemente, grande progresso tem sido obtido no conhecimento dos mecanismos moleculares que regulam a ingestão de alimentos e o armazenamento de energia em mamíferos. A descoberta de sinais periféricos como a leptina e a grelina¹ lança luz sobre como informações a respeito do estado interno do organismo modulam a atividade nos centros homeostáticos do sistema nervoso central. Entretanto, um completo entendimento do controle do apetite em humanos e de suas patologias como obesidade, anorexia e diabete dependem do conhecimento acerca do mecanismo pelo qual estes sinais são integrados com o processamento sensorial de estímulos gustativos e respostas comportamentais associadas. Esse mecanismo é em grande parte determinado por diferentes níveis de processamento cortical. No texto que se segue, encontra-se um breve resumo dos aspectos principais do processamento gustativo no córtex primata, incluindo estudos recentes do caso humano.

Em primatas, incluindo humanos, a representação cortical da informação gustativa começa com a estimulação de células receptores agrupadas em papilas gustativas (células epiteliais modificadas com propriedades neuronais), distribuídas sobre a superfície da língua e palato. Células receptoras utilizam diferentes métodos para converter informação da estrutura química de estímulos gustativos em sinais elétricos. Assim, a diferentes modalidades ou qualidades gustativas correspondem diferentes métodos de conversão:² estímulos de qualidade salgada e azeda agem diretamente sobre canais íonicos específicos localizados na membrana das células receptoras. Já estímulos de qualidade doce (sacarose), amarga e umami (o gosto de glutamato monosódio) têm sua conversão mediada por receptores acoplados a G-proteínas.³ Entretanto, em todos os casos, os sinais elétricos produzidos pelos métodos de conversão são enviados ao sistema nervoso central através dos nervos cranianos VII, IX e X, responsáveis pela formação de sinapses em locais específicos das células receptoras.

Estes sinais são enviados, então, à divisão rostral do nucleus tractus solitarius (NTS) da medula, onde fibras aferentes as projetam diretamente para o núcleo ventral póstero-medial do tálamo, pars parvicellularis (VPMpc). O córtex gustativo primário dos primatas é definido como o "alvo" das projeções corticais provenientes do VPMpc.⁴ Em termos gerais, este córtex inclui a região (ipsolateral) média da ínsula-opérculo, e se estende anteriormente atingindo a região caudo-lateral do córtex órbito-frontal.^5,6 Projeções adicionais foram observadas no córtex somato-sensório primário, em uma região do giro pré-central que provavelmente inclui áreas de representação somatotópica da cavidade oral e da face.⁷ Esta região é candidata a implementar a integração dos aspectos quimo- e somato-sensórios dos estímulos gustativos.

Dentre as características funcionais das partes da ínsula e opérculo frontal localizadas no córtex gustativo primário, duas merecem comentários especiais. Em contraste com NTS e VPMpc, respostas neuronais a estímulos individuais são altamente específicas, tal como evidenciado através de registro (com eletródios) da atividade de células individuais imediatamente após apresentação de estímulos gustativos.^8,9 Em outros termos, células nesta região cortical estão "sintonizadas" a estímulos específicos, aos quais respondem preferencialmente. Estas respostas parecem não depender (ou serem "moduladas") pelo estado fisiológico (fome/saciedade) do organismo.¹⁰ Assim, esta parte do córtex gustativo se dedica principalmente à tarefa de identificação de estímulos específicos com um grau relativamente alto de precisão, isolando sinais relativos ao estado homeoestático do organismo que pudessem interferir no processo de decodificação.

Entretanto, a decodificação pura e simples da identidade dos estímulos gustativos não é suficiente para que o sistema nervoso central, e estruturas corticais em particular, estabeleçam controle sobre a ingestão de nutrientes (incluindo líquidos) pelo organismo e viabilizem sua sobrevivência (em termos de equilíbrio homeostático), ao menos a médio prazo. Para implementar tal controle, é preciso que informações acerca das funções viscerais, endócrinas e autonômicas do organismo sejam integradas com os aspectos sensoriais destes nutrientes, de tal forma que a decisão permitindo ou não sua ingestão seja tomada principalmente em função de sua relevância fisiológica em determinado momento. De fato, uma série de estruturas do sistema nervoso central primata respondem à estimulação gustativa e olfativa em função do estado fisiológico ou homeoestático do organismo tais como a amídala, o hipotálamo, NTS e a região orbital do córtex pré-frontal (órbito-frontal). O córtex gustativo primata projeta fibras para o núcleo central da amídala,⁴ de onde a informação gustativa é enviada ao hipotálamo (principalmente ao núcleo lateral),¹¹ NTS e ao sistema dopaminérgico no tronco cerebral.¹² Além disso, o córtex gustativo primário projeta-se para várias partes do córtex órbito-frontal, em particular para a sua parte disgranular,⁶ por isso também denominada "córtex gustativo secundário".

Em primatas, respostas neuronais a estímulos gustativos (e olfativos) nestas regiões são controladas pelo estado fisiológico do organismo; ou seja, refletem o valor motivacional ou de recompensa (apetite) destes estímulos. No córtex órbito-frontal, células gustativas (p.ex. glucose) são moduladas pelo grau de fome do animal, como demonstrado em experimentos de modulação do apetite (saciedade^13,14). O mesmo é verdadeiro para células olfativas nesta região quando o odor apresentado coincide com o do alimento usado para indução de saciedade.¹⁵ Fenômeno similar foi constatado na amídala¹⁶ e hipotálamo lateral.¹⁷

Discussão

A partir destes resultados, surge a seguinte questão: em humanos, o processamento gustativo-olfativo e o controle do apetite se dão em regiões corticais homólogas às observadas em outros primatas? Conforme descrito abaixo, estudos recentes desenvolvidos em particular em nosso laboratório fazendo uso de imageamento por ressonância magnética funcional (IRMf) em humanos mostram que a resposta à pergunta acima é em grande medida positiva (para uma revisão dos fundamentos físicos e fisiológicos do IRMf¹⁸).

O córtex gustativo primário e secundário em humanos parece ocupar áreas homólogas às de outro primatas, sendo ativada por diferentes categorias de estímulos gustativos. Observou-se, por exemplo, que a categoria de estímulos "umami" (também descrito como o gosto de proteína, sendo glutamato monossódio um exemplar) e a glicose, um estímulo gustativo prototípico, ativam significantemente partes anteriores do córtex insular, opérculo frontal e córtex órbito-frontal quando comparados a uma solução contendo apenas os principais componentes iônicos da saliva.¹⁹ Além disso, constatou-se que o efeito psicofísico conhecido como "sinergismo para substâncias umami" é refletido na atividade do córtex órbito-frontal.¹⁹ Este efeito corresponde a um acréscimo não-linear da intensidade detectada subjetivamente para a mistura entre as substâncias glutamato monossódio e certos ribonucleotídeos, em relação à soma das intensidades individuais.²⁰ Representa um exemplo de interação complexa entre as propriedades estruturais de estímulos gustativos e sua palatabilidade. A Figura 1 mostra algumas destas ativações no córtex humano.

Por outro lado, a experiência gustativa completa depende também da convergência cortical entre as representações gustativas e olfativas. Entretanto, deve-se notar que estimulação olfativa durante a ingestão de alimentos se dá principalmente pela via retro-nasal, isto é, através da liberação de compostos na naso-faringe em consequência da mastigação.²¹ Uma aplicação recente de IRMf avaliou diretamente as interações entre estimulação gustativa e olfativa retro-nasal no córtex humano,²² com especial interesse na determinação dos locais de convergência. Os estímulos poderiam ser puramente gustativos, olfativos (diluídos em água destilada e administrados oralmente) ou combinações complexas destes. A análise dos dados mostrou que os estímulos gustativos olfativos estão representados na parte caudo-lateral do córtex órbito-frontal, na parte anterior da ínsula, na amídala e no córtex cingulado. Em particular, uma pequena área da parte anterior, agranular, do córtex insular é ativada simultaneamente pelos dois tipos de estímulos. Interessantemente, ela coincide com a área ativada por estímulos olfativos pela via ortonasal, isto é, através das narinas.²³ Representa, assim, uma área de convergência cortical para estímulos puramente gustativos e olfativos (agindo seja pela via retro- ou orto-nasal), dando forte indicação de que as vias corticais em humanos correspondem a seus homólogos em outros primatas e em ratos. Nestes, a ínsula agranular (isto é, a parte da ínsula com poucas células de tipo granular) constitui o local preferencial de convergência.²⁴ Além disso, foi constatado que o opérculo frontal, parte do córtex gustativo primário, é ativado por estímulos gustativos, mas não olfativos. Algumas destas ativações estão ilustradas na Figura 2.

Finalmente, a correlação entre o sinal obtido por IRMf e os índices subjetivos para a palatabilidade das combinações gustativo-olfativas revelou ativações significantes na parte médio-anterior do córtex órbito-frontal. Isto significa que o valor motivacional ou de recompensa destes estímulos é representado nesta parte do córtex órbito-frontal, coincidindo com a representação do valor de recompensa de outras categorias de estímulos como odores puros,²³ recompensas monetárias²⁵ ou faces atraentes.²⁶ Esta região orbital próxima à face medial, assim como sua extensão dorsal ao córtex cingulado anterior (córtex "médio-frontal"), tem sido caracterizada como uma rota de controle cortical sobre processos viscerais e endocrinológicos.²⁷ Exerce possivelmente este controle em função do processamento sensorial operado nas regiões laterais vizinhas, que não apresentam correlações com o valor motivacional dos estímulos.

Este achado se confirma quando investigamos as áreas ativadas por líquidos administrados intra-oralmente durante desidratação moderada.²⁸ Já se conhecia o papel do córtex órbito-frontal na modulação do apetite em humanos,^29-31 mas estes estudos se restringiram ao caso da ingestão de alimentos, de tal forma que a atividade modulatória poderia depender da especificidade do processamento gustativo pelo envolvimento de áreas mais laterais do córtex órbito-frontal. Entretanto, a dissociação entre as funções das regiões órbito-frontais laterais (incluindo sua extensão posterior ao córtex insular agranular) e médias (incluindo sua extensão dorsal ao córtex cingulado anterior ou médio-frontal) se torna clara quando se faz a comparação entre a atividade produzida pela administração de água sob desidratação e após consumo ad libitum de água mineral.²⁸ Atividade significante produzida pela administração de água é observada durante ambos os períodos de sede e pós-hidratação na parte mais anterior do córtex insular, inclusive em áreas vizinhas ao óperculo frontal, e na parte caudo-lateral do córtex órbito-frontal. Por outro lado, a atividade produzida pelo consumo de água sob desidratação é significativamente maior na área média do córtex órbito-frontal comparada ao consumo de água após reidratação. Estas duas comparações demonstram o envolvimento do córtex órbito-frontal médio e do cingulado anterior na modulação do apetite (incluindo apetite por líquidos sob estado de desidratação) enquanto áreas mais laterais, como o córtex gustativo primário, se dedicam preferencialmente ao processamento sensorial dos estímulos. Além disso, a modulação do apetite por líquidos também parece estar relacionada à atividade em uma parte média, posterior à região gustativa, na ínsula. O envolvimento de áreas mais posteriores da ínsula no controle do sistema autonômico e na representação cortical da atividade visceral foi bem estabelecido para o caso de ratos.^32,33 Embora dados equivalentes para o caso de primatas sejam até o momento relativamente escassos,³⁴ os resultados descritos acima parecem indicar uma caracterização funcional análoga para a ínsula primata, incluindo o caso humano, em termos de gustação versus representação visceral em relação ao eixo antero-posterior. As ativações acima descritas estão ilustradas na Figura 3.

Conclusão

Em resumo, o processamento central da informação gustativa em humanos parece reproduzir as operações observadas em outros primatas. O córtex gustativo primário ocupa regiões anteriores da ínsula e do opérculo frontal, que respondem à estimulação independentemente do estado fisiológico do organismo. O isolamento dos sinais de saciedade nesta área pode aumentar a eficiência na computação da identidade (decodificação) dos estímulos. Tais propriedades parecem ser verdadeiras também para região caudo-lateral do córtex órbito-frontal. Por outro lado, regiões médias do órbito-frontal e sua extensão dorsal no cingulado anterior parecem mediar informação gustativa para posterior processamento em centros de controle homeostático, como corroborado pelas densas projeções destas áreas para o hipotálamo.³⁴ Esta pode ser a via preferencial para integração das escolhas comportamentais associadas ao processamento sensorial de estímulos gustativos com os sinais periféricos que refletem o estado interno do organismo.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Fev 2004
• Data do Fascículo
  Dez 2003