Circuito eletrônico excitável como modelo de neurônio sensorial

Abstract

Sistemas sensoriais biológicos usualmente são formados por redes complexas de milhares de neurônios e podem atingir altos níveis de sensibilidade. O ser humano, por exemplo, consegue perceber objetos em uma noite sem luar, apenas sob o brilho das estrelas assim como sob incidência direta da luz do Sol. A diferença entre estas intensidades luminosas chega a 100 dB, o que corresponde a uma razão de 109 entre seus valores. Esta sensibilidade elevada se traduz em uma faixa dinâmica larga. Estudos recentes em física estatística sugerem que faixas dinâmicas largas emergem de sistemas excitáveis como um fenômeno coletivo de vários elementos excitáveis, cujas faixas dinâmicas são pequenas. Este efeito tem possíveis aplicações práticas na construção de sensores de alta sensibilidade a partir de vários elementos iguais de baixa sensibilidade. Este trabalho propõe um circuito eletrônico excitável simples como o elemento básico na construção de um sensor eletrônico de alta sensibilidade. O circuito, composto apenas de um amplificador operacional, um capacitor e resistores, apresenta dinâmica semelhante àquela do modelo neuronal de FitzHugh-Nagumo. Propriedades deste modelo, como a bifurcação de Hopf que leva o sistema a oscilar em um ciclo limite estável, podem ser observadas experimentalmente. Dois modelos dinâmicos bidimensionais são propostos para descrever o circuito a partir dos quais ajustamos os dados experimentais. A não-linearidade do circuito tem origem no amplificador operacional, que se comporta como um circuito comparador e cuja dinâmica é governada por uma função similar à função de Heaviside ou degrau. Em sistemas neuronais, a resposta a um estímulo pode variar de amostra para amostra mesmo que a intensidade do estímulo se mantenha constante. Como fontes dessa variabiliadade podemos citar a aleatoriedade dos vários processos biofísicos que governam a geração de potenciais de ação (spikes) além da própria natureza estocástica dos estímulos (flutuações na concentração de odorante, tomando como exemplo o sistema sensorial olfatório). Procuramos reproduzir estes efeitos no estímulo aplicado ao circuito eletrônico excitável através de um gerador de ruído analógico, cujo princípio de operação é baseado na amplificação do ruído térmico de um diodo Zener na região de breakdown. A intensidade do estímulo é controlada através de uma tensão DC constante, que é adicionada ao ruído. A estatística dos spikes gerados pelo circuito excitável sob este estímulo pode ser modelada por um processo de Poisson homogêneo. Temos, então, um conversor DC-Poisson, ou seja, a intensidade de um sinal constante é convertido em uma taxa de Poisson. Medimos a resposta do circuito excitável ao estímulo DC adicionado de ruído e obtivemos a relação entre a tensão DC e a taxa de Poisson, a partir da qual a faixa dinâmica do circuito excitável é calculada