A longa e compartilhada história da eletricidade e da medicina

por David M. Warmflash, MD

June 01, 2021 - Em geral, nós, da medicina, estamos cientes de como os dispositivos elétricos são - e eram - importantes para a compreensão da função do coração e do cérebro.

Graças principalmente ao trabalho de físicos que procuraram domar a eletricidade destilando-a em um punhado de equações e parâmetros, os médicos vêm mexendo em dispositivos elétricos há mais de 100 anos. E agora eles são usados ​​em uma série de tecnologias, de marcapassos a estimuladores cerebrais profundos e estimuladores de nervos transcutâneos, para tratar a dor.

Mas há um outro lado dessa história que se originou no século 18 e no início do século 19, quando os funileiros, chamados de "eletricistas", utilizavam a eletricidade sem ter ideia de como ela funcionava. Seus experimentos dependiam tanto da identificação de fontes biológicas inatas de eletricidade quanto do aproveitamento de suas fontes externas para potenciais aplicações médicas.

"Mesmo no campo da medicina bioeletrônica, em que fazemos uso da física do eletromagnetismo, da biofísica da neuroestimulação e dos princípios por trás da fusão dos dois fenômenos, muitas vezes esquecemos como o estudo da eletricidade biológica e não biológica surgiram juntos", observa Stavros Zanos, MD, PhD, professor assistente e chefe do Laboratório de Neurofisiologia Translacional no Feinstein Institutes for Medical Research da Northwell Health em Manhasset, Nova York. "Olhando para o século 18, a época de Franklin e Cavendish, os pesquisadores estavam literalmente chocando-se com potes de Leyden e peixes elétricos, por pura curiosidade, sem saber que estavam lançando as bases para nossa compreensão da eletrofisiologia neurológica, muscular e cardiovascular, e por muito da tecnologia da qual dependem a fisiologia e a medicina."

Luigi Galvani

Existem exceções a essa caracterização da pesquisa do século XVIII. Sinais de sua influência ainda podem ser vistos hoje em Bolonha, Itália, onde uma estátua do médico e ao redor do polímata Luigi Aloisio Galvani (1737-1798) olha para a praça nomeada em sua homenagem, e a noroeste, na Universidade de Pavia, onde o arquirrival de Galvani, o físico Alessandro Volta (1745-1827), também está orgulhosamente esculpido em pedra. Centenas de anos depois, muitos no norte da Itália podem mostrar os destaques abreviados do trabalho desses dois homens: Galvani aproveitando a eletricidade para fazer as pernas dos sapos se contorcerem; sua discordância com Volta fazendo com que este inventasse a bateria; e o sobrinho de Galvani, Giovanni Aldini (1762-1834), adaptando o design da bateria em algo maior e mais poderoso para eletrificar pessoas mortas, imortalizando-se como a inspiração histórica para o romance Frankenstein de Mary Shelley (1797-1851).

Alessandro Volta

Para muitos italianos, a fama dessas experiências rivaliza com as conduzidas aqui na América por Benjamin Franklin (1706-1790), com sua icônica pipa em uma tempestade. Na verdade, conforme explicado pelo físico Jim Al-Khalili em seu documentário da BBC de 2011 "Shock and Awe: The Story of Electricity" - e é provavelmente igualmente aparente para qualquer médico de emergência que administrou ferimentos por raio - é duvidoso que a história de Franklin tenha acontecido. É muito mais provável que a prova de que o raio era elétrico tenha vindo de um experimento mais seguro realizado na cidade francesa de Marly-la-Ville em 1752, enquanto Galvani e Volta eram apenas crianças, envolvendo um poste de metal alto, que ninguém cometeu o erro ser pego segurando durante o golpe decisivo. Este experimento relâmpago galvanizou (trocadilhos intencionais) o conceito de Franklin de carga positiva e negativa, um grande insight nas discussões sobre eletricidade que levou à rivalidade Galvani-Volta no final do século.

Estátua de Luigi Galvani em sua praça de mesmo nome em Bolonha.

Para ter uma perspectiva local sobre o legado de Galvani e Volta, conversei com Matteo Cerri, MD, PhD, professor de fisiologia e pesquisador em neurociência da hibernação na Universidade de Bolonha, onde Galvani também fez carreira. Conversando da estátua próxima de Galvani, Cerri notou como, à primeira vista, sua imagem parecia estar olhando para baixo em um livro, mas um exame mais atento mostra que é um sapo em uma placa de dissecação que atrai seu olhar. É uma cena adequada, pois também provou ser a linha divisória inicial na rixa filosófica dos pesquisadores.

Como médico e professor de anatomia, Galvani era fascinado pela eletricidade, que pesquisadores de sua época tentaram aproveitar para tratar um paciente paralítico. O tratamento consistia em transmitir ao paciente um choque de eletricidade estática, então o único tipo de eletricidade que os eletricistas do século 18 sabiam gerar. Eles fizeram isso usando dispositivos de manivela que giravam globos de vidro contra o tecido de lã, o mesmo princípio que gera choques no tapete com seus sapatos, mas com mais eficiência.

Não apenas o globo giratório poderia gerar uma carga muito maior do que até mesmo o tapete mais felpudo, como também poderia ser entregue por meio de um fio a pessoas ou objetos, causando uma faísca, ou a uma jarra de Leyden, um capacitor bruto inventado pelo cientista holandês Pieter van Musschenbroek (1692-1761) na década de 1740, que poderia armazenar uma carga por horas a dias.

Impressão de uma antiga garrafa de Leyden.

Embora a maioria dos eletricistas do século 18 desperdiçasse essa força misteriosa em truques de festa, como fazer o cabelo das pessoas ficar em pé ou acender um copo de conhaque, a tentativa de utilizar faíscas como terapia para paralisia foi inspiradora para Galvani. Ele começou a conduzir experimentos em que dissecaria os nervos femorais de sapos recém-sacrificados e os chocaria com um fio conectado a um dos geradores de eletricidade estática em rotação, fazendo com que os músculos das pernas se contraíssem.

Na mente de Galvani, a eletricidade da máquina não se movia através do sapo, mas sim emanava do cérebro, através dos nervos e músculos, fazendo com que se contraíssem. Galvani acreditava que se tratava de uma força espiritual que, portanto, não poderia ser fabricada por humanos. Essa era a visão religiosa de Galvani sobre a "eletricidade animal", uma hipótese de que a biologia poderia produzir eletricidade, um tipo diferente de eletricidade daquela que os humanos poderiam gerar e armazenar em garrafas de Leyden.

Relâmpago em uma garrafa

Como van Musschenbroek aprendera da maneira mais difícil, uma garrafa de Leyden poderia causar um choque bastante desagradável se fosse segurada na mão de alguém enquanto estava sendo carregada, e então o fio que saía do topo fosse tocado pela outra mão dessa pessoa. Em contraste estava o peixe torpedo (Torpedo marmorata), uma criatura cuja mordida parecia estranhamente semelhante a um choque de uma garrafa de Leyden. Hoje, ele é comumente conhecido como raio elétrico marmorizado, mas alguns pensadores do século 18 duvidavam que fosse elétrico, porque, ao contrário das garrafas de Leyden, a picada de T. marmorata não causava faísca.

Henry Cavendish (1731-1810), da Inglaterra, testou garrafas de Leyden de tamanhos variados e concluiu que um choque poderia ser caracterizado pelo "grau de eletrificação" e por um parâmetro independente que ele chamou de "quantidade de eletricidade". Inspirado na anatomia interna do peixe que apresentava uma série de câmaras, Cavendish construiu uma espécie de simulador de peixes torpedo: várias garrafas de Leyden, ligados entre si para reter uma grande "quantidade de eletricidade", devido ao grande número de potes, mantendo o "grau de eletrificação" diminui ao carregar os potes até apenas uma fração de sua capacidade. Ao ser tocado, o dispositivo produziu um forte choque, mas com uma faísca visível apenas através de uma lupa, levando Cavendish a concluir que o peixe real de fato produzia eletricidade. Ele o distinguiu da garrafa de Leyden padrão pelo fato de o peixe produzir uma "quantidade de eletricidade" maior com um "grau de eletrificação" muito menor. Na terminologia de hoje, Cavendish significava que as garrafas de Leyden entregavam carga baixa e alta voltagem, enquanto T. marmorata entregava alta carga e baixa voltagem.

O nascimento de uma rivalidade elétrica
O insight de Cavendish ocorreu em meados da década de 1770, quando Galvani e Volta eram estrelas em ascensão. A hipótese da eletricidade animal se tornou a última moda, desencadeando um debate sobre a origem da contração muscular nos sapos mortos de Galvani.

Em contraste com a crença de Galvani de que um choque aplicado por um gerador de eletricidade estática a um nervo femoral não fazia nada além de despertar alguns resquícios de forças espirituais, Volta, um livre pensador do Iluminismo, propôs que o fluido elétrico do gerador giratório costumava choque, o próprio nervo estava conduzindo a contração.

Considerando a ideia de Volta equivalente à heresia religiosa, Galvani publicou outras observações de que outros estímulos além dos geradores poderiam evocar a mesma contração. Esses estímulos incluíam o choque de uma garrafa de Leyden, que Volta retrucou como evidência contra a eletricidade animal, não para apoiá-la, e o mero contato com dois tipos diferentes de metais. Curiosamente, Galvani descobriu que, ao suspender seus sapos em um fio de ferro e, em seguida, passar um fio contendo cobre do fio de ferro ao nervo femoral exposto, as pernas do sapo se contraíam. Sem nada conectado que pudesse fornecer carga elétrica ao nervo, Galvani acreditava que agora tinha evidências mais fortes de que as contrações eram de uma força interna, uma ideia apoiada por ainda outra observação: ele poderia estimular as contrações tocando o nervo femoral exposto com outro nervo animal, usando nenhum metal.

Galvani pode ter continuado a experimentar, mas perdeu sua posição acadêmica e todas as fontes de renda ao se recusar a fazer um juramento de lealdade à República Cisalpina, um estado satélite francês que dominava o norte da Itália a partir de 1797 e cujo corpo legislativo estava lotado com acadêmicos do Iluminismo, incluindo Alessandro Volta! Em um declínio vertiginoso, Galvani morreu, destituído e deprimido, no final de 1798.

Volta continuou na ciência por mais três décadas, motivado a lançar luz sobre a descoberta de Galvani de que os fios de dois tipos diferentes de metais provocavam espasmos musculares. Colocando dois metais diferentes em sua boca simultaneamente, Volta descobriu que podia sentir o gosto da eletricidade, mas era muito fraca para medir com um instrumento. Pensando nas múltiplas câmaras do peixe torpedo, no entanto, e como Cavendish as havia simulado, Volta empilhou discos alternados de cobre e zinco, separados por discos embebidos em ácido diluído. Em 1800, descobri que essa estratificação amplificava o efeito, provando que os próprios fios de Galvani haviam produzido eletricidade. Como resultado, Galvani é lembrado por estar errado sobre a eletricidade animal. Mas essa não é uma reputação totalmente justa.

A Primeira Bateria

O legado de Volta ganhou um impulso adicional porque sua descoberta também foi uma invenção, a primeira bateria, que as pessoas puderam apreciar de forma concreta, pois gerou a era da eletricidade na velocidade da luz. Usando uma bateria voltaica dimensionada para proporções do tamanho de uma sala, Humphry Davy da Inglaterra (1778-1829) demonstraria iluminação de arco elétrico em 1808. O eletroímã entraria em cena durante a vida de Volta, levando a geradores, motores elétricos e o telégrafo em dois décadas de sua morte. No entanto, dependente de toda essa inovação foi o trabalho inicial de Galvani com animais.

“Devemos lembrar que, por trás de todo empreendimento científico, sempre há uma pessoa que merece crédito, independentemente do resultado”, observa Cerri. “Isso era verdade com os dois gigantes da pesquisa inicial de eletricidade da Itália, assim como é verdade com tantos pensadores científicos hoje. Na verdade, a interação entre Galvani e Volta e as diferenças em seus legados são paralelos à luta atual entre a pesquisa básica e a aplicada. "

A reviravolta irônica da história é que a bioeletricidade, na verdade, é diferente da eletricidade empregada por nossos dispositivos.

"A intuição de Galvani sobre eletricidade era mais verdadeira do que a de Volta no sentido mais amplo", diz Cerri, aludindo a como um potencial de ação é efetivamente o movimento de carga positiva ao longo da superfície citoplasmática da membrana celular de axônios e miócitos.

O conceito engenhoso de Franklin era que a carga elétrica, como uma conta bancária, poderia ser excedente ou deficitária (que ele chamou de positivo e negativo, respectivamente). Isso explica o choque das garrafas de Leyden como a necessidade de uma carga positiva percorrer o corpo do suporte do frasco para cancelar a carga negativa do outro lado do vidro. A convenção para corrente elétrica é que ela é uma carga positiva que se move através de fios e circuitos. Isso é retrógrado quando se trata de nossos dispositivos, onde os elétrons carregados negativamente são o que se move, mas é correto para nossas correntes biológicas carregadas por íons positivos!

Da mesma forma, Galvani e Volta podem ter se movido em direções filosoficamente opostas, mas suas teorias ainda forneceram as faíscas iniciais que iluminaram o caminho para as intervenções usadas até hoje na medicina moderna.

Warmflash é redator autônomo de ciências e saúde que mora em Portland, Oregon. Seu livro recente, Lua: Uma História Ilustrada: Dos Mitos Antigos às Colônias do Amanhã, conta a história do papel da Lua em uma infinidade de eventos históricos, desde a origem da vida, aos primeiros sistemas de calendário, ao surgimento da ciência e tecnologia, ao alvorecer da era espacial. Original em inglês, tradução Google, revisão Hugo. Fonte: MedScape.

Comentário à matéria original, por V L Kern: Em Minneapolis, há um museu fascinante dedicado à eletricidade, criado pelo fundador da Medtronics, Earl Bakken, médico. Vale a pena visitar!