Lus Alfredo Vidal de Carvalho
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Nivea de Carvalho Ferreira
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Adriana Fiszman
Instituto de Psiquiatria IPUB/UFRJ
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Unitermos:
Autismo, Crtex, Neurognese, Cincia Cognitiva,
Plasticidade Neuronal
O autismo um transtorno
mental caracterizado por dficits na socializao, comunicao e imaginao. Em
contraste com estas deficincias, as crianas autistas podem apresentar algumas
capacidades isoladas especiais denominadas ilhas de habilidades como, por
exemplo, a facilidade para a aritmtica, msica e desenho, alm de excelente
memria fotogrfica, memria para dados e detalhes. A co-ocorrncia de
epilepsia e retardo mental volveu a ateno dos pesquisadores para as teorias
neurobiolgicas e cognitivas da sndrome. O presente trabalho prope um modelo
para esta sndrome que reune os aspectos Neurobiolgicos, Psicolgicos e
Computacionais do autismo. Uma rede neuronal artificial capaz de definir mapas
corticais --- projees sinpticas que preservam vizinhanas entre duas camadas
de tecido neuronal --- foi projetada para simular o processo de
neurodesenvolvimento. Experimentos foram realizados reduzindo-se o nvel da
substncia fator de crescimento neuronal liberada pelos neurnios, resultando em mapas
corticais mal-desenvolvidos e sugerindo a causa da neurognese aberrante
presente no autismo. As simulaes computacionais sugerem que as regies do crebro responsveis
pela formao das representaes de mais alto nvel esto mal formadas nos
pacientes autistas. A perda desta representao integrada do mundo pode
resultar em dficits cognitivos especficos na socializao, comunicao e
imaginao e pode, tambm, explicar algumas ilhas de habilidades. O modelo
neuronal baseado em achados biolgicos e em teorias cognitivas recentes do
autismo. Algumas relaes entre as propriedades computacionais do modelo de
rede neuronal e a teoria cognitiva do autismo denominada Teoria da Fraca Coerncia Central so estabelecidas, resultando em uma nova
viso integrada para a etiologia do transtorno
I. Introduo
O
Autismo um transtorno psiquitrico que foi descrito pela primeira vez por
Eugen Bleuler em 1911. Suas observaes sobre a perda do contato do paciente
com a realidade e a sua grande dificuldade de comunicao, o fizeram utilizar o
termo autismo para a doena. Mais tarde, em 1943, Leo Kanner observou quatro
caractersticas fundamentais na doena: extrema solido, falha no uso da
linguagem para fins comunicativos, insistncia na mesmice e tendncia a repetir
as mesmas aes de forma ritualizada (27). Ao mesmo tempo, porm
independentemente, Hans Asperger utilizou o mesmo termo para se referir s
caractersticas centrais do transtorno (3).
A percepo crescente do
autismo como uma entidade nosolgica distinta levou intensificao das
pesquisas e ao desenvolvimento dos primeiros critrios diagnsticos
operacionalmente precisos por volta de 1978 (40, 43). Quase simultaneamente,
outros autores (49) definiram o que eles pensavam ser as caractersticas
centrais da doena: deficincias na socializao, comunicao e imaginao.
Estas caractersticas formam uma trade, pela sua co-ocorrncia e por
persistirem durante o desenvolvimento da criana, apesar de sua manifestao
externa estar sujeita a mudanas.
A noo da trade representa
uma viso mais abrangente do espectro autista do que a apresentada por Kanner e forma a base para os critrios
diagnsticos atuais, como descrito na 4 edio do Manual
Diagnstico e Estatstico de Desordens Mentais, DSM-IV (2). Os critrios
diagnsticos expressos no DSM-IV para Transtorno Autista so coerentes com os
critrios contidos no CID-10 (10 edio da Classificao
Internacional de Doenas) (48) para Autismo Infantil, ambos listados sob o
ttulo genrico de Transtorno Invasivo do Desenvolvimento. Os critrios do
DSM-IV e da CID-10 podem ser resumidos como perda qualitativa de comunicao social
e padres de comportamento e interesse restritos e repetitivos. Estas
caractersticas devem ser evidentes at os trs anos de idade, embora o
diagnstico seja feito, normalmente, muito mais tarde.
Juntamente com a perda da
linguagem verbal e gestual, contato visual pobre, ecolalia, perseverao e
baixa capacidade de generalizao, alguns pacientes autistas (aproximadamente
um caso em dez) demonstram habilidades excepcionais em atividades que envolvem
clculos matemticos complexos, memria, desenho e msica. Este desempenho
elevado na realizao de tarefas cognitivas isoladas denominada ilhas de
habilidade, no sendo um fenmeno dependente do aprendizado mas
espontaneamente emergente. As ilhas de habilidade ainda no possuem uma explicao e parecem ser especficas do autismo, pois outros
tipos de incapacidade mental ou transtorno do desenvolvimento no esto
associados a este perfil cognitivo (20).
De acordo com o critrio
rigoroso aplicado por Kanner, o autismo uma doena que aparece em quatro de
cada 10.000 nascimentos. Com os critrios diagnsticos mais genricos usados na
prtica clnica, a incidncia mais alta: um ou dois em 1.000 nascimentos,
aproximadamente a mesma da sndrome de Down (13). A relao entre homens e
mulheres acometidos pela doena de 2 a 2.9 para 1, embora a preponderncia
nos homens seja maior quando utilizado o critrio mais restrito de Kanner, com
relao entre os sexos variando de 2.6 a 5.7 para 1.
O retardo mental uma
caracterstica comumente presente no autismo, apesar de no versar na sua
definio. Aproximadamente trs-quartos da populao autista tem o QI no limite
definido como retardo mental. Apesar do QI global baixo, as habilidades
intelectuais das crianas autistas mostram variaes marcantes, caracterizadas
por altos e baixos, conferindo um perfil espiculado (spiky profile) aos testes neuropsicolgicos que intrigam
os estudiosos ainda hoje.
Durante duas dcadas aps o
artigo original de Kanner, os pesquisadores tentaram descobrir uma causa orgnica para a doena mas, na
ausncia de claras evidncias neurolgicas, seus esforos foram em vo. Teorias
psicodinmicas surgiram responsabilizando os pais pelos sintomas de seus filhos
e resultando numa infinidade de terapias ineficazes.
Duas grandes classes de
condies mdicas esto associadas ao autismo: as de base gentica (como
esclerose tuberosa e sndrome do X frgil) e as esboadas em infeces pr,
peri e ps-natais (como a embriopatia por rubola e a encefalite por herpes).
As condies genticas podem representar traos familiares ou mutaes
espontneas. Todos os estudos realizados com gmeos do suporte existncia de
uma contribuio gentica bastante significativa para o autismo. A principal
hiptese para o modo de transmisso a que prope que a ditese
multifatorial, com vrios genes contribuindo de forma aditiva para a dimenso
de vulnerabilidade ao autismo (11).
Estudos neuropatolgicos tm
mostrado um aumento da densidade neuronal e a presena de neurnios menores que
o normal no hipocampo, amgdala, crtex entorrinal e giro do cngulo. Foi
observada ainda uma perda neuronal na rea de Broca e crtex cerebelar (5),
alm de ramificaes dendrticas reduzidas nas clulas piramidais das reas CA1
e CA4 do hipocampo (37). Imagens obtidas atravs de Ressonncia Nuclear
Magntica revelaram anormalidades no romboencfalo e no telencfalo
consistentes com os achados neuropatolgicos descritos acima (8).
Aparentemente, existe uma variao na neuropatologia do autismo que inclui
padres anormais de conexo --- provavelmente, devido a problemas de migrao neuronal durante o
desenvolvimento (36) ---, truncagem
do crescimento neuronal normal (6) ou neurognese aberrante (8) que
podem resultar no aumento ou na reduo de neurnios e sinapses em diferentes
regies do crebro.
Um modelo neuronal proposto h
alguns anos atrs explorou achados relacionados ao aumento ou reduo do nmero
de neurnios e sinapses nos
crebros de autistas (7). Simulaes computacionais da rede neuronal ento
proposta mostraram que uma boa discriminao de estmulos conseguida quando
h um nmero grande de neurnios numa determinada camada da rede neuronal,
enquanto propriedades de generalizao so obtidas apenas quando poucos
neurnios esto presentes nesta camada. O autor relacionou estes resultados j
conhecidos da teoria de redes neuronais artificiais (42) com as deficincias de
aquisio e generalizao de conceitos e tambm com as ilhas de habilidades na
discriminao de estmulos observada no autismo. A questo de como o circuito
neuronal com muitos ou poucos neurnios surge no processo de
neurodesenvolvimento no foi abordada neste modelo por ser muito metafrico com
a realidade cerebral.
No presente trabalho, um modelo
mais realista proposto no qual. Baseado no processo biolgico fundamental de
competio neuronal, uma rede neuronal artificial capaz de organizar sua estrutura em funo dos estmulos recebidos, como em
um processo de neurodesenvolvimento, recrutar mais ou menos neurnios e far
mais ou menos sinapses, sugerindo a causa da neurognese aberrante do autismo.
Em linhas gerais, este trabalho mostra como a inibio neuronal excessiva em
alguma fase do neurodesenvolvimento pode resultar em circuitos neuronais
aberrantes com habilidades computacionais similares quelas observadas no
autismo. As simulaes computacionais sugerem que regies do crebro
responsveis pela formao de representaes de mais alto nvel esto mal
formadas nos pacientes autistas. A perda desta representao integrada do mundo
pode levar s deficincias cognitivas peculiares na socializao, comunicao e
imaginao, mas pode tambm explicar algumas ilhas de habilidades como
excelente memria e discriminao de estmulos. O modelo neuronal baseado em
achados biolgicos plausveis e em teorias cognitivas do autismo recentemente
desenvolvidas.
A
diversidade dos achados neuropatolgicos aliada s falhas das teorias
psicodinmicas direcionou as pesquisas para a busca de pontes tericas entre o
crebro autista e seu padro comportamental. Uma das teorias cognitivas mais
genricas do autismo baseada na incapacidade social imposta pela doena.
proposto que trs reas centrais
da interao social --- imitao, ateno conjunta e relacionamento interpessoal
--- sejam prejudicadas em alguma
fase do desenvolvimento, resultando em srias limitaes. A base da adaptao
social da criana reside na compreenso
de que as outras pessoas so iguais a ela, sendo assim capazes de
compartilhar as mesmas impresses emocionais e cognitivas sobre qualquer
objeto. Qualquer dificuldade neste processo chamado de relacionamento
interpessoal, desde uma fase inicial do desenvolvimento da criana, pode
causar, mais tarde, srias deficincias sociais e comunicativas. Resultados de
estudos realizados com crianas com cegueira congnita que apresentam um
comportamento semelhante ao dos autistas corroboram esta hiptese (23). A
ateno conjunta --- processo de compartilhamento do mesmo foco de ateno
atravs da alternncia dos atos de direcionamento do olhar e do apontar entre
um objeto e uma pessoa --- tambm inexiste nas crianas autistas. A falha em
utilizar o olhar como forma de comunicao, a pobreza na interpretao das
expresses emocionais de outras pessoas e a incapacidade de compreenso da
reao dos outros so caractersticas dos autistas que parecem estar
relacionadas deficincia da ateno conjunta (28). Finalmente, a imitao dos
outros um terceiro processo que as crianas autistas no desenvolvem
corretamente. Uma criana normal imita as outras pessoas na tentativa de
expressar ou sentir a mesma emoo que a outra pessoa demonstra. Imitar os
outros um tutorial bsico que direciona a vida social (MELTZOFF e GOPNIK,
1993).
Outra
importante teoria cognitiva do autismo assume a hiptese de que uma criana
autista no pode representar os estados mentais dela mesma ou dos outros, ou
seja, que no pode desenvolver um modelo ou teoria de sua mente e das mentes
dos indivduos com os quais se relaciona (4). Conseqentemente, no capaz de
compreender ou predizer o comportamento das pessoas. Uma criana autista
capaz de transmitir uma mensagem a algum e, posteriormente, no conseguir
diferenciar quem sabe de quem ignora a mensagem transmitida. A falta de uma teoria da mente dos outros implica em que crianas
autistas so severamente prejudicadas na sua capacidade de interpretao de
estados mentais. Elas no podem participar de brincadeiras de faz-de-conta,
pois estas exigem uma habilidade intuitiva para distinguir entre estados
fsicos (situaes reais) e estados mentais fictcios.
Embora as deficincias na
socializao, comunicao e imaginao definam as caractersticas centrais da
sndrome do autismo, um comportamento estereotipado, repetitivo e restritivo tambm
se faz presente. Este comportamento muito similar ao apresentado por
pacientes que sofrem leses no lobo frontal, sugerindo, ento, uma outra teoria
cognitiva denominada Teoria da
Funo Executiva.
Entende-se por funes executivas os processos cognitivos como monitoramento do
prprio desempenho, desligamento voluntrio de um contexto, utilizao
apropriada da informao retroalimentada do ambiente, deslocamento voluntrio
da ateno, planejamento e inibio de aes inadequadas, entre outras. A hiptese
desta teoria que alguns transtornos do desenvolvimento causam distrbios nos
circuitos neuronais do lobo frontal ou do hipocampo ou ainda dos ncleos da
base, regies sabidamente associadas s questes da funo executiva (47). Esta
teoria enfraquecida pelo fato de que algumas crianas tm ilhas de
habilidades em tarefas que exigem a higidez do lobo frontal (9).
Todas as teorias descritas
anteriormente so capazes de explicar as deficincias cognitivas, mas nenhuma
delas se refere s ilhas de habilidades ou ao perfil de alto desempenho em
determinados exames da avaliao neuropsicolgica em meio ao baixo desempenho em outros (perfil espiculado). A
recentemente desenvolvida Teoria da Fraca Coerncia Central afirma que as crianas autistas possuem um
desempenho mximo em atividades que no requerem integrao, mas sim
segmentao da informao (14, 15). De acordo com esta teoria, o crebro dos
autistas tem um estilo cognitivo que favorece a segmentao devido limitao
ou impossibilidade de um processamento mais genrico (holstico) da informao
(16). Quando processam informaes verbais desconexas, as crianas autistas
apresentam um desempenho superior ao das crianas normais, pois as crianas
no-autistas tm a tendncia de procurar por associaes ou outras formas de
integrao da informao processada, o que implica um desempenho baixa quando um material desconexo
apresentado na avaliao verbal. As crianas autistas tambm apresentam um bom
desempenho em tarefas visuo-espaciais que requerem segmentao de imagens (44).
Achados de reduo da coerncia lgica em narrativas e de desempenho superior
em testes de segmentao
visuo-espacial aplicados a pais no-autistas de crianas autistas sugerem que a
diminuio da coerncia central pode ser transmitida geneticamente (32).
importante notar tambm que adultos com autismo que passam nos testes da teoria
da mente demonstram padres de fraca coerncia central (19). Este resultado fornece indcios
de que a fraca coerncia central
uma caracterstica independente e adicional do autismo, que, em princpio, no
guarda relao bvia com as deficncias supostamente relacionadas falta de
uma teoria da mente.
Em meados do sculo XIX os
cientistas Helmholtz e Mach estudaram vrios fenmenos da percepo visual em
humanos. Eles estavam particularmente interessados em iluses de tica como o
fato de bordas e contornos entre partes claras e escuras de uma imagem tenderem
a ser realadas em relao s partes claras e escuras interiores da imagem.
Eles explicaram a iluso atravs da hiptese de que na retina humana as clulas
so excitadas pela luz que converge para uma regio central e inibidas pela luz
que se projeta nas regies vizinhas a esta. Quase um sculo depois,
experimentos demonstraram que o olho de um caranguejo chamado Limulus (21) e alguns vertebrados (31) possuem uma
estrutura concntrica de cooperao central e competio lateral denominada on-center/off-surround. Nesta estrutura, cada neurnio est em
cooperao, atravs de sinapses excitatrias, com neurnios da vizinhana
imediata, ao mesmo tempo que est em competio, atravs de sinapses
inibitrias, com neurnios que no pertencem a esta vizinhana. Existem ainda
evidncias experimentais de que este mesmo mecanismo se apresenta tambm nos
sistemas nervosos central e perifrico dos mamferos. Aparentemente, as clulas
corticais piramidais so conectadas segundo a estrutura on-center/off
surround (46). Outras
regies do crebro, como o hipocampo (1) e o cerebelo (10), tambm apresentam
esta estrutura geneticamente imposta.
As estruturas de competio e
cooperao entre neurnios so encontradas no apenas como inatas, mas tambm
como parte de processos neuronais dinmicos. Na verdade, a competio
essencial para o neurodesenvolvimento durante o qual os neurnios competem por
determinadas substncias qumicas. Na formao sinptica, por exemplo,
substncias chamadas genericamente de fatores de crescimento neuronal so
liberadas por neurnios excitados
e, atravs de difuso, alcanam as clulas vizinhas, promovendo o crescimento sinptico. As clulas que recebem o
fator de crescimento neuronal formam sinapses e sobrevivem, enquanto as clulas
que no entram em contato com tais substncias morrem (25, 26). Um neurnio que
libera fator de crescimento neuronal guia o processo tri-dimensional de
formao de sinapses, tornando-se um centro de convergncia sinptica. Quando
clulas prximas liberam diferentes fatores de crescimento neuronal em diferentes
quantidades, vrios centros de convergncia so gerados, sendo estabelecida uma
competio por sinapses entre eles. Pelo menos dois processos participam da
dinmica da formao sinptica:
neurnios
pr-sinpticos que competem por fatores de crescimento neuronal para
sobreviverem; e
neurnios
ps-sinpticos que liberam essas substncias competindo por sinapses que os
mantero vivos atravs de seus estmulos aferentes.
Vale notar que, como um nico
neurnio capaz de receber e liberar fatores de crescimento neuronal ao mesmo
tempo, estes dois processos descritos anteriormente ocorrem efetivamente em
cada neurnio. Conseqentemente, se estabelece uma rede de informao que
controla o desenvolvimento dos circuitos neuronais de maneira guiada pela estimulao
do ambiente, registrando o mundo e plastificando o crebro.
Os processos de competio
descritos acima so essenciais para a formao de organizaes neuronais
chamadas mapas. Um mapa
neuronal pode ser descrito como um circuito biolgico composto por dois
conjuntos de neurnios, denominados domnio e imagem, de tal forma que padres de ativao similares do
domnio so projetados em neurnios vizinhos na imagem. Em outras palavras, um
mapa neuronal uma projeo que transforma similaridades do domnio em
relaes espaciais na imagem. Estudos dos crtices visual (24), somatosensorial
(35) e associativo (17) mostraram que pequenas regies destes tecidos respondem
a estmulos similares. De fato, estmulos como posio, orientao, cor,
freqncia espacial, freqncia auditiva e significados (38, 39, 41, 45) so
representados como mapas nos circuitos neuronais corticais.
A existncia de mapas neuronais
despertou a curiosidade dos cientistas nas ltimas dcadas, sendo de principal
importncia a questo de como estas estruturas surgem do padro de conexo do
tipo on-center/off-surround. Teorias computacionais trouxeram esclarecimentos importantes, pois
mapas corticais foram artificialmente desenvolvidos a partir de regras simples
de plasticidade neuronal em modelos computacionais de simulao (33). O modelo
mais genrico dentre estes o chamado Mapa Auto-Organizvel (30) no qual duas
camadas de tecido neuronal com n neurnios cada, correspondendo ao domnio e imagem,
so inicialmente conectadas aleatoriamente de maneira que cada neurnio i na imagem receba projees sinpticas wi Rn de cada neurnio do domnio (Figura I). Neurnios no domnio no
formam sinapses entre si e recebem as entradas sensoriais (estmulos), enquanto
que neurnios na imagem estabelecem sinapses entre si, seguindo o padro on-center/off-surrond, i.e., excitao
ou cooperao de curta distncia e inibio ou competio de longa distncia
(Figura II).
As sinapses on-center/off-surround no se alteram durante o desenvolvimento
do mapa pois so consideradas geneticamente estabelecidas, enquanto que as
sinapses entre o domnio e a imagem so modificadas ao longo do processo. A
cada vez que a rede neuronal entra em contato com um estmulo xk Rn , k=1, 2,... na sua camada domnio,
existir apenas um neurnio excitado i* na
imagem, porque a cooperao de curta distncia e a competio de longa
distncia fazem com que o neurnio mais excitado iniba os demais.
A posio r* do neurnio vencedor na imagem determina o
quanto as sinapses sero modificadas. Sinapses dos neurnios prximos ao
vencedor sero fortemente modificadas de tal forma que estes neurnios sero
mais intensamente excitados pelo estmulo xk numa prxima oportunidade. As sinapses dos
neurnios distantes do vencedor sero pouco modificadas ou permanecero
intactas, dependendo da disperso s da funo de vizinhana f(ri, r*) que estabelece o raio em torno do neurnio vencedor
dentro do qual ocorre a cooperao e fora do qual ocorre a competio. O vetor ri
Rn representa a posio de um neurnio i genrico na camada imagem.
Por este processo, cada neurnio na imagem ser mais facilmente excitado pelo
estmulo xk (facilitao sinptica)
no futuro. O desenvolvimento do mapa se d devido ao fato de que a quantidade
de facilitao sinptica inversamente proporcional distncia do neurnio
vencedor. O processo de modificao sinptica Dtwi para cada neurnio i repetido para cada passo de aprendizado t onde o estmulo xk Rn , k=1, 2, ... apresentado rede
neuronal, sendo dado por
Dtwi = r(t).f(ri, r*).(xk - wi),
(1)
onde r(t) a taxa de modificao sinptica definida por
r(t) = r0.b(t-1); 0 <
b < 1, t = 1, 2, ...
(2)
A taxa de modificao sinptica
comea com um valor r0 e decresce a cada iterao t com velocidade b.
A funo simtrica de
vizinhana f(ri, r*) tem a forma de uma curva gaussiana (Figura
III) dada pela equao
f(ri, r*) = exp(-|| ri
- r*||2 / 2s(t)2).
(3)
A disperso inicial da
gaussiana, s0, alta para representar o fato de que todos os
neurnios da imagem so considerados vizinhos (em cooperao) a princpio. Isto
permite que a desorganizao inicial das sinapses convirja para um padro mais
organizado onde a vizinhana de grande importncia. A cada vez que um
estmulo apresentado camada imagem, esta vizinhana torna-se mais estreita,
fazendo com que o mapa v adquirindo mais e mais uma organizao localizada. O
clculo de s(t) dado por:
s(t) = s0.a(t - 1), 0 < a < 1, t = 1, 2, ...
(4)
onde a uma taxa de decrscimo.
A forma com que a taxa de
modificao sinptica decresce e a vizinhana se estreita fundamental para o
processo de formao do mapa. Quando a taxa de modificao sinptica decresce
rapidamente, no h tempo suficiente para que as sinapses se modifiquem,
fazendo com que a desorganizao dada pela aleatoricidade inicial das sinapses
permanea at o final do processo. Por outro lado, quando a vizinhana se
estreita muito rapidamente, o nvel de cooperao neuronal necessria para a
formao do mapa cortical no se faz presente, gerando relaes de
vizinhana mal definidas no final
da simulao. Podemos relacionar a funo de vizinhana ao perfil de
concentrao do fator de crescimento neuronal no tecido cortical ao redor do
neurnio que o liberou. Quando o equilbrio dinmico entre a liberao desta
substncia e a metabolizao da mesma alcanado em todo do tecido, devido ao
processo de difuso, um perfil de concentrao que decresce assintoticamente
com a distncia radial (ver Figura III) atingido. O parmetro s0 representa a quantidade de fator de crescimento
neuronal liberado pelos neurnios no incio do processo de
neurodesenvolvimento.
O no
entendimento do equacionamento matemtico do modelo aqui desenvolvido no
prejudica a compreenso do texto e
de seus resultados. Em realidade, o formalismo matemtico foi incluido no texto
apenas para mostrar ao leitor que a nova disciplina denominada Neurocincia
Computacional busca a definio de modelos e teorias quantificadoras,
detalhistas e reducionistas do crebro e da mente, seguindo a metodologia
cientfica analtica Cartesiana, aceita como padro nas cincias em geral. Por
ser o crebro um sistema complexo (complexo no sentido formal da
Fsica-Matemtica e no no sentido usual de nosso idioma), as equaes do
modelo no podem ser resolvidas mas somente simuladas no computador digital.
De uma maneira intuitiva,
podemos afirmar que a equao (1) tenta modelar o processo de crescimento
sinptico, representado pela varivel
Dtwi,
que depende da capacidade do organismo de formar novas sinapses ( varivel r(t) ),
do grau de competio e cooperao entre os neurnios durante o processo
de neurognese ( varivel f(ri, r*) ) e tambm dos estmulos que afluem do
ambiente para o crebro durante a neurognese ( (xk -
wi) ).
A capacidade de formar
novas sinapses alta no incio do processo de neurognese e diminui medida
que os circuitos neuronais se consolidam. Por isto, a varivel r(t) na equao (2)
modelada por uma funo exponencial decrescente no tempo. O nvel de competio e cooperao entre os
neurnios durante o processo de neurognese ( varivel f(ri, r*) da equao (3))
modelado por uma curva gaussiana cuja a disperso (largura) dada pela disponibilidade de fator de
crescimento neuronal s(t). Este, por sua vez, muito disponvel no incio do neurodesenvolvimento, tornando-se cada vez mais escasso
medida que o mapa cortical se consolida. Sendo assim, s(t) tambm modelado por uma funo exponencial decrescente (equao (4))
semelhana da j descrita equao (2).
Uma maneira de avaliar a
eficincia do processo de neurodesenvolvimento calcular o valor total de
mudanas sinpticas ocorridas. sabido que mudanas em larga escala nos
padres sinpticos esto relacionadas com a boa formao de circuitos neuronais
(25, 26). Quando as sinapses no so modificadas (fortalecidas ou
enfraquecidas), o mapeamento final alcanado bem prximo daquele apresentado
no incio do processo. A cada iterao t do algoritmo de auto-organizao, o neurnio vencedor
determina como as sinapses do neurnio i sero modificadas de acordo com a equao (1). A soma
de todas as variaes Dtwi durante o processo de plastificao
corresponde mudana total realizada nas sinapses que compem o mapa:
S
t
n ||Dtwi||.
(5)
Na prxima seo, algumas
simulaes mostram como mapas anormais podem se desenvolver a partir de
processos de auto-organizao sinptica,
resultando em redes neuronais com habilidades computacionais capazes de
explicar algumas caractersticas cognitivas das crianas autistas.
Um mapa auto-organizvel capaz
de representar o desenvolvimento sinptico entre duas camadas corticais
bidimensionais foi implementado computacionalmente na linguagem C.
Uma camada cortical de mais baixo nvel (aqui denominada domnio) com
400 neurnios artificiais recebe os estmulos de entrada das reas sensoriais e
projeta suas sadas para a camada cortical de mais alto nvel (chamada de
imagem), tambm com 400 neurnios artificiais (ver Figura I). Um conjunto de
1.000 estmulos de entrada foi gerado aleatoriamente. Os limites de variao
dos nmeros aleatrios utilizados foram
variados quatro vezes para produzir quatro diferentes conjuntos de 250
estmulos cada. Estes conjuntos definem agrupamentos de padres de entrada considerados
similares, como pode ser visto na Figura IV, onde os estmulos de cada
agrupamento so representados sobre uma camada cortical bidimensional por
diferentes smbolos geomtricos. Simulaes computacionais realizadas em
estaes de trabalho RISC e apresentadas a seguir mostraram como mapas corticais
artificiais mal desenvolvidos podem apresentar caractersticas que remontam
fenomenologia do autismo, principalmente s ilhas de habilidades.
Inicialmente, as sinapses entre
as camadas corticais do domnio e da imagem so definidas aleatoriamente. Como
conseqncia, os estmulos apresentados camada domnio (mostrados na Figura
IV) so projetados em posies aleatrias na camada imagem, como representado
na Figura V. As similaridades entre os estmulos obviamente no so preservadas
na camada cortical de mais alto nvel (imagem), ou seja, no existe uma representao em forma
de mapa. Em todos os experimentos que se seguem, a camada domnio foi excitada
25 vezes com os 4 agrupamentos de 250 estmulos de uma maneira aleatria. Os
parmetros r0, a e b so mantidos constantes com valores 0.8,
0.99 e 0.99, respectivamente, para todas as simulaes.
Como o parmetro s0 representa a quantidade de fator de crescimento
neuronal liberada pelos neurnios da camada imagem no incio do processo de
neurodesenvolvimento, em uma
primeira simulao este parmetro foi inicializado com um valor alto (s0= 4.0), suficiente para o correto
desenvolvimento do mapa cortical. Aps a execuo do processo simulado de
neurodesenvolvimento, os quatro agrupamentos de estmulos presentes na camada
domnio (Figura IV) foram mapeados em quatro regies diferentes e bem definidas
da imagem, como mostra a Figura VI. As sinapses entre as duas camada corticais
foram alteradas em um total S igual a 11.382, transformando o mapa inicialmente desorganizado (Figura V)
em um mapa claramente organizado (Fgura VI). Podemos tambm observar que os 250
estmulos de cada agrupamento foram mapeados em apenas 100 neurnios (em mdia)
na camada imagem. Na verdade, qualquer outro estmulo nunca antes apresentado
rede neuronal, mas que seja similar aos outros 250 estmulos de um agrupamento,
ser mapeado diretamente sobre a regio da camada cortical da imagem
responsvel pela representao deste agrupamento. Como o crebro est exposto a
uma infinidade de estmulos parecidos durante toda a nossa vida, podemos
concluir que os mapas corticais so uma estrutura inteligente capaz de
representar uma grande gama de instncias ou variaes de estmulos em uma
regio reduzida, bem definida e constante do crtex. Em outras palavras, os
mapas neuronais so capazes de, baseados em poucos exemplos ou instncias,
criar ou representar uma categoria inteira no crtex. Uma vantagem direta desta
capacidade a economia realizada, pois se cada estmulo fosse representado por
um neurnio especfico, bilhes dessas clulas no seriam suficientes para
representar toda uma vida de estmulaes.
A construo deste mapas s
possvel porque os neurnios
corticais e suas regras de plasticidade sinptica geram um circuito neurocomputacional
capaz de extrair as caractersticas comuns dos estmulos. O mapa cortical
considera as caractersticas comuns como as componentes principais (ou a
coerncia central) dos estmulos, enquanto que as caractersticas no-comuns,
que poderiam dificultar o processo de categorizao, so descartadas. Mapas
corticais so possveis porque seus circuitos generalizam os estmulos que lhes
so apresentados, ou seja eles consideram as caractersticas gerais (comuns ou
centrais) como as que realmente importam, enquanto as especificidades
(detalhes) de cada estmulo no so computadas.
Um crebro normal, constitudo
por mapas corticais bem-formados, extrai constantemente e de forma natural a
coerncia central de cada estmulo que atinge o crtex. Como vivemos em um
mundo complexo e de freqente mudana, encontrar as caractersticas principais
de estmulos uma tarefa cognitiva importante para o reconhecimento de que
novas situaes so, de alguma forma, parecidas com outras experincias j
vividas anteriormente e para as quais
possumos respostas
prontas.
Uma vez que as propriedades
computacionais de mapas corticais bem-formados foram analisadas, verificaremos,
atravs da descrio das prximas simulaes, como mapas mal-formados possuem
propriedades computacionais semelhantes s mentes autistas. Para isso, vamos
decrescer o valor de s0 (a quantidade de fator de crescimento neuronal liberada
inicialmente) em cada simulao, mostrando como a reduo desta substncia
resulta na alterao dos mapas corticais e suas habilidades computacionais.
Iniciando com s0 = 3.5, a uma reduo de 12,5%
em relao simulao anterior que corresponde ao mapa bem formado, e partindo
da mesma inicializao aleatria das sinapses (Figura V), chega-se ao mapa
mostrado na Figura VII.
Comparando os resultados obtidos com estas duas simulaes
(Figuras VI e VII), podemos observar que nesta ltima houve uma reorganizao
do mapeamento obtido anteriormente. As regies responsveis pela representao
dos agrupamentos assumiram formas e disposies relativas diferentes na camada
imagem. No entanto, as propriedades computacionais, e conseqentemente
cognitivas, so as mesmas pois houve um reconhecimento das caractersticas
comuns dos estmulos que foram classificados ou categorizados em regies bem
definidas do crtex simulado (imagem). Olhando mais detalhadamente para o mapa
da Figura VII, possvel observar que alguns estmulos foram classificados
erradamente em categorias diferentes no canto superior direito e inferior
esquerdo da imagem.
Reduzindo-se ainda mais o valor
de s0, atribuindo-lhe agora o valor
de 2.5 que representa uma reduo de 37,5% em relao a s0 = 4.0 do mapa bem-formado, obtivemos como
resultado final o mapa mostrado na Figura VIII. Nesta, podemos notar que os agrupamentos no
formam mais uma regio bem definida, mas, ao contrrio, esto particionados em
uma regio grande e outra regio menor. Como o nmero de estmulos que esto
dispostos fora do agrupamento principal de cada categoria alto, no podemos
mais utilizar o conceito de classificao incorreta mencionado anteriormente.
Na realidade, os agrupamentos foram divididos ao meio. Do ponto de vista
computacional, o processo de auto-organizao extraiu dos estmulos no somente suas caractersticas comuns mas tambm
algumas especificidades. Estas fazem com que os estmulos sejam diferenciados,
forando o mapa a criar uma nova categoria para represent-los pois estes j no podem mais ser
considerados como pertencentes a uma mesma categoria, como tinham sido anteriormente.
Assim, podemos dizer que a reduo do fator de crescimento neuronal liberado
gera um mapa mais discriminativo, fazendo emergir uma propriedade de
segmentao ou discriminao em lugar da propriedade de generalizao ou
determinao da coerncia central. Os detalhes que eram antes descartados so,
agora, considerados, adicionando uma nova dimenso na definio da similaridade
entre os estmulos.
Estmulos que antes formavam um
conjunto de padres similares e, portanto, eram projetados sobre a mesma rea
cortical so, agora, devido a um aumento da capacidade discriminativa do mapa,
percebidos como diferentes o suficiente para requererem um novo agrupamento
para represent-los. A consequncia cognitiva deste estilo computacional
emergente que uma situao que era facilmente reconhecida e processada como
uma experincia j conhecida e para a qual uma resposta j existia, agora
tratada como um novo evento para o qual a resposta ainda deve ser construda.
Quando atribuimos a s0 um valor ainda menor de 1.5, temos mais evidenciada a capacidade
discriminativa do mapa (Figura IX). Cada agrupamento representado na camada
imagem por diferentes categorias, dispostas em reas corticais distantes.
Uma reduo ainda mais extrema
do fator de crescimento neuronal, representado por s0 = 1.0, produz um mapa completamente
segmentado, como pode ser visto na Figura X. Esta ltima simulao mostra um
mapa dual da primeira simulao. Mapas com alta capacidade de discriminao e
fraca extrao da coerncia central (Figura X) representam o outro lado da
moeda em relao aos mapas com forte deteco da coerncia central (ou alta
capacidade de generalizao) (Figura VI). Entre estes dois extremos existe uma
infinidade de mapas auto-organizveis, possivelmente representantes da mesma
sndrome neurolgica em seus diferentes nveis de prejuzo mental. A curva
apresentada na Figura XI mostra como a mudana sinptica total S varia com a
liberao do fator de crescimento neuronal no incio do processo de
neurodesenvolvimento simulado. medida em que reduzimos o valor de s0, a mudana sinptica total tambm
reduzida.
Com estes resultados,
possvel concluir que a fraca extrao da coerncia central consequncia do
baixo nvel de fator de crescimento neuronal. Os mapas mal-formados so o
resultado de sinapses que praticamente no foram alteradas (como indica o baixo
valor de S) e, portanto, no submetidas ao processo de fortalecimento e
consolidao ou enfraquecimento e eliminao (26) normais no
neurodesenvolvimento. Os baixos valores de S encontrados nos mapas com fraca
coerncia central desenvolvidos aqui esto de acordo com os estudos que afirmam
possurem os autistas um nmero
excessivo de sinapes (29).
As simulaes realizadas aqui
permitem a extrapolao de seus resultados para a cognio e a sintomatologia
do autismo. Para iniciarmos nossa anlise, mencionamos que alguns autores
notaram que crianas autistas no tendem a integrar experincias atuais com
outras previamente vividas (22) e tambm que no se atm s informaes
principais, prestando ateno nas que so irrelevantes (18). Nas simulaes
realizadas com uma quantidadade de fator de crescimento neuronal reduzida, o
mapa resultante mostrou uma menor capacidade de generalizao e maior
discriminao, representando, respectivamente, as caractersticas de falta de
integrao e aumento na ateno aos detalhes das informaes. Mapas mais
discriminativos esto relacionados com o estilo cognitivo onde os estmulos so
segmentados e registrados como funo de sua especificidade. Conseqentemente,
a cognio ser orientada para o reconhecimento de partes, promovendo um
comportamento caracterizado pela inflexibilidade e preciso excessiva. Para as
crianas autistas as aes devem ser sempre realizadas da mesma maneira, do
contrrio no sero corretamente interpretadas. A criana autista resiste a
caminhos diferentes para a escola. Ambientes organizados de forma ligeiramente
diferentes no so reconhecidos como os mesmos, e objetos devem sempre estar
dispostos da mesma maneira espacial para que elas os possam reconhecer.
Outra conseqncia cognitiva
presente nos mapas discriminativos o fato de que as informaes (estmulos)
no so categorizadas, mas representadas por segmentos ou instncias. Neste
caso, o princpio da economia realizada pelos mapas corticais quebrado, e uma grande quantidade de neurnios
ser necessria para representar conceitos que seriam normalmente mapeados em
regies menores e mais bem definidas. Quando largas regies corticais so
responsveis pela representao de conceitos muito especficos, surge um
fenmeno computacional denominado exploso combinatria caracterizado pelo processamento
ineficiente das informaes devido a uma disponibilidade limitada de hardware (neurnios). Este fenmeno poderia resultar no baixo QI e no
interesse restrito a poucos
assuntos que se observam nas crianas autistas.
Por outro lado, mapas altamente
discriminativos permitem uma segmentao automtica e rpida da informao, bem
como a representao de detalhes. Possivelmente, esta a razo pela qual as
crianas autistas apresentam ilhas de habilidades como a excelente memria
bruta (memria para nomes, telefones, etc), grande capacidade de resoluo de jogos onde as partes
de um contexto devem ser rapidamente analisadas, execuo de desenhos
detalhados e realistas e alta discriminao de tons e sons musicais (12).
Lembrando que o processamento
cognitivo obtido atravs de uma srie de mapas corticais hierrquicos, onde a
entrada de um mapa de mais alto nvel a sada do mapa de nvel imediatamente
inferior, impossvel prever o que acontece quando o primeiro mapa na
hierarquia classifica estmulos similares em regies corticais diferentes.
Talvez, a mente do autista no possa desenvolver regras de linguagem por no
possuir o mapa cortical de mais alto nvel apropriado (39) que depende de mapas
de mais baixo nvel bem-formados. Assim tambm seria explicada a dificuldade de
interao social apresentada por pacientes autistas que pode ser resultante da
impossibilidade de reconhecimento de expresses faciais e emocionais, tarefas
que exigem a interpretao de contexto e integrao de informao que ocorrem
nos mapas de mais alto nvel.
O autismo caracterizado por deficincia
na socializao, comunicao e imaginao e tambm por talentos excepcionais
para tarefas que envolvem memria ou discriminao sensorial. Existem muitas
teorias cognitivas para a doena, mas apenas uma delas, a teoria da fraca
coerncia central, capaz de explicar as ilhas de habilidades.
Aps uma detalhada anlise do
conceito de mapas corticais, foi apresentado um algoritmo de auto-organizao
para simular o processo de neurodesenvolvimento de mapas neuronais. Algumas
simulaes realizadas mostraram como os mapas se desenvolvem e quais so seus
principais parmetros de controle. Um destes parmetros est associado a uma
substncia qumica denominada fator de crescimento neuronal. As simulaes
mostraram como a quantidade desta substncia, liberada pelos neurnios durante
o processo de neurodesenvolvimento, capaz de gerar mapas com capacidade de
generalizao diferentes.
As propriedades computacionais
destes mapas foram analisadas e relacionadas com a teoria cognitiva da fraca coerncia central do autismo. A
falta de fator de crescimento neuronal produziu mapas com baixa propriedade de
generalizao ou fraca extrao da coerncia central. Deficincias cognitivas
e, o mais importante, habilidades cognitivas (ilhas de habilidades) observadas
nos autistas foram explicadas por analogias entre as propriedades
computacionais dos mapas apresentados e a teoria da fraca coerncia central. O
objetivo do trabalho propor uma teoria neurobiolgica do autismo, afirmando que o transtorno o
resultado da nica expresso cognitiva possvel para um crebro constitudo de
mapas corticais altamente discriminativos. Embora estas simulaes e analogias sejam importantes para o
entendimento do autismo do ponto de vista neurobiolgico, a existncia de mapas
corticais altamente discriminativos nos crebros autistas deve ser verificada
experimentalmente. Na realidade, o principal objetivo da modelagem e simulao
computacional em Neurologia e Psiquiatria exatamente estabelecer direes
para a pesquisa clnica e experimental.
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