Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

A pupila humana faz muito mais do que simplesmente ajustar-se à luminosidade de um ambiente. Embora ela se contraia na luz intensa e se dilate no escuro para regular a visão, ela também reage ao estado interno da mente. Quando uma pessoa é surpreendida, foca ou está mentalmente engajada, suas pupilas frequentemente se dilatam, ou aumentam, mesmo que a luz permaneça constante. Por décadas, cientistas suspeitaram que essas mudanças espontâneas são uma janela para o "locus coeruleus" do cérebro, um pequeno aglomerado de células nervosas localizado profundamente que atua como a principal fonte de norepinefrina do cérebro, um mensageiro químico crucial para o alerta e a atenção. Como essa região cerebral é difícil de ser mapeada diretamente, pesquisadores há muito esperam que a medição da pupila possa servir como um indicador indireto (proxy) confiável de sua atividade. No entanto, conforme as pessoas envelhecem, a biologia do cérebro muda, e a confiabilidade dessa conexão permaneceu incerta. Se o vínculo entre a pupila e o sistema de alerta do cérebro enfraquece ou se desloca com a idade, então o uso de medições pupilares para estudar o cérebro envelhecido poderia levar a conclusões enganosas.

Para investigar isso, uma equipe de pesquisadores da Universidade Cornell reuniu 89 adultos com idades variando de 19 a 78 anos para realizar uma tarefa visual dentro de um scanner de ressonância magnética. Os participantes observavam uma tela onde círculos de diferentes tamanhos e brilhos apareciam em intervalos aleatórios. A maioria dos círculos era padrão, mas ocasionalmente aparecia um círculo maior, conhecido como "oddball", induzindo o participante a pressionar um botão. Os pesquisadores registraram o tamanho da pupila dos participantes continuamente em uma velocidade muito alta e, simultaneamente, escanearam seus cérebros para medir o fluxo sanguíneo, que serve como um indicador da atividade neural. Eles estavam particularmente interessados em saber se o tamanho da pupila e a velocidade de sua mudança estavam ligados à atividade no sistema noradrenérgico do cérebro, e se esses vínculos se mantinham verdadeiros ao longo de toda a vida adulta.

O estudo revelou que o comportamento da pupila não é um sinal único e unificado, mas carrega dois tipos distintos de informações que operam em cronologias diferentes e se conectam a diferentes partes do cérebro. Os pesquisadores descobriram que o tamanho absoluto da pupila em qualquer dado momento correlaciona-se com a atividade cerebral em um padrão específico, enquanto a rápida mudança no tamanho da pupila — o quão rápido ela se expande ou contrai — correlaciona-se com um padrão de atividade cerebral completamente diferente. Esses dois sinais não apenas acontecem ao mesmo tempo; eles estão ligados a sistemas químicos diferentes dentro do cérebro. As mudanças rápidas no tamanho da pupila foram fortemente ligadas a áreas do cérebro ricas em o transportador de norepinefrina, a proteína que gerencia o mensageiro químico de alerta do cérebro. Isso confirma que, quando a pupila subitamente se alarga ou se estreita, ela está, de fato, rastreando a atividade do sistema de alerta do cérebro. Em contraste, o tamanho constante da pupila foi ligado a áreas cerebrais densas em receptores opioides e canabinoides, sugerindo que o tamanho basal da pupila reflete um estado químico diferente e de ação mais lenta, possivelmente relacionado à regulação da dor ou ao humor, em vez do alerta imediato.

Crucialmente, o estudo examinou como essas conexões se sustentam à medida que as pessoas envelhecem. Os pesquisadores descobriram que a relação entre as mudanças rápidas da pupila e o sistema de alerta do cérebro permanece significativa ao longo da vida, mas enfraquece ligeiramente em adultos mais velhos. Especificamente, o número de áreas cerebrais que mostraram um forte vínculo com as mudanças da pupila diminuiu nos participantes mais idosos, e a força da conexão com o sistema de norepinefrina foi menor em adultos mais velhos em comparação com os mais jovens. No entanto, o vínculo entre o tamanho constante da pupila e as áreas cerebrais relacionadas aos opioides não mudou com a idade; permaneceu tão forte em um indivíduo de 70 anos quanto em um de 20 anos. Essa distinção é vital porque sugere que, embora o sistema de alerta do cérebro possa tornar-se ligeiramente menos sincronizado com os movimentos da pupila conforme envelhecemos, outros aspectos da química cerebral refletidos na pupila permanecem estáveis.

Os pesquisadores também examinaram diretamente a região cerebral responsável pelo alerta, o locus coeruleus, mas descobriram que o sinal proveniente dessa pequena estrutura era muito fraco para ser medido de forma confiável em participantes individuais usando técnicas de varredura padrão. Em vez de desistirem, eles mapearam a influência da pupila por todo o cérebro. Descobriram que as mudanças rápidas no tamanho da pupila estavam mais fortemente associadas a uma vasta rede de regiões cerebrais envolvidas na atenção e no processamento sensorial, estendendo-se desde a parte posterior do cérebro até o tronco encefálico. Esse padrão generalizado, em vez de um sinal pontual único, é o que a pupila parece rastrear. O estudo também descartou a ideia de que esses vínculos cérebro-pupila fossem simplesmente causados por mudanças na frequência cardíaca ou na respiração, pois os pesquisadores removeram cuidadosamente esses fatores de seus dados e os padrões persistiram.

Em última análise, o trabalho esclarece que a pupila é um instrumento complexo que conta duas histórias diferentes. Uma história é sobre a velocidade de mudança, que rastreia o sistema de alerta do cérebro e mostra um declínio modesto em sua coordenação com a idade. A outra história é sobre o estado constante, que rastreia um sistema químico diferente e permanece consistente ao longo da vida. Isso significa que, se os cientistas desejam usar as medições da pupila para compreender o cérebro que envelhece, devem ter cuidado para distinguir entre o tamanho da pupila e a rapidez com que ela muda. Ao separar esses dois sinais, os pesquisadores podem entender melhor quais partes do cérebro estão envelhecendo e quais permanecem as mesmas, oferecendo uma maneira mais precisa de monitorar a saúde cerebral sem procedimentos invasivos. As descobertas sugerem que, embora a maquinaria de alerta do cérebro possa diminuir sua coordenação com o olho conforme envelhecemos, o panorama químico fundamental do cérebro permanece acessível através dessas mudanças sutis e mensuráveis na pupila.