Estudo revela como o cérebro de predadores organiza a caça

Em artigo na Cell, pesquisadores demonstraram que o núcleo central da amígdala é a região responsável por articular as diferentes habilidades envolvidas na perseguição e no abate de presas

© WIKIMEDIA COMMONS

A caça predatória, da qual muitos animais selvagens dependem para sobreviver, é considerada por estudiosos do cérebro um comportamento complexo, pois envolve diferentes habilidades que precisam ser exercidas de maneira eficiente e articulada para que o predador obtenha sucesso.

Por meio de experimentos com camundongos, pesquisadores brasileiros e norte-americanos conseguiram demonstrar que uma região cerebral conhecida como núcleo central da amígdala é a responsável por organizar as ações envolvidas na caça predatória. Mostraram ainda que isso ocorre por meio de duas redes neuronais distintas: uma que organiza a perseguição e a captura da presa e, outra, o controle motor da mandíbula e do pescoço necessário para que o predador consiga desferir a mordida fatal.

Os resultados do estudo, apoiado pela FAPESP, foram divulgados  quinta-feira (12/01) na revista Cell.

“A maneira modular pela qual o controle é exercido é relevante. O trabalho dá detalhes novos sobre o controle neural de músculos craniofaciais, o que pode contribuir para o entendimento de patologias que afetam essa região. Além disso, aplicações práticas no campo da engenharia, especialmente no que se refere ao desenvolvimento de algorítmica robótica, estão sendo consideradas”, disse Ivan de Araujo, professor de Psiquiatria da Escola de Medicina de Yale, nos Estados Unidos.

Em seu laboratório, Araujo se dedica a estudar as bases neurais do comportamento alimentício de mamíferos. A parceria com o professor Newton Canteras, do Instituto de Ciências Biomédicas da Universidade de São Paulo (ICB-USP), surgiu devido ao interesse em compreender como é controlada a busca de alimentos em condições próximas às enfrentadas na natureza. Em trabalhos anteriores, o grupo do ICB-USP havia mostrado que uma forte ativação do núcleo central da amígdala ocorria quando o animal estava caçando.

“Considerando a experiência de Canteras em comportamento de caça e a visita de membros de seu grupo a meu laboratório, resolvemos aplicar o modelo de predação de insetos a camundongos geneticamente modificados”, contou Araujo.

Parte do trabalho foi feita durante o pós-doutorado de Simone Motta e o doutorado de Miguel Rangel – ambos bolsistas da FAPESP e orientandos de Canteras. Também colaborou a professora aposentada do Departamento de Fisiologia do ICB-USP Sara Shammah-Lagnado.

Interrogando neurônios

Diversos experimentos e técnicas foram empregados com o intuito de “interrogar” os neurônios da amígdala central e, assim, descobrir as vias envolvidas no controle das ações da caça predatória. Conforme explicou Motta, uma das mais importantes foi a optogenética, que permite ativar e desativar neurônios quase instantaneamente por meio de estímulos luminosos.

“Por meio de um vetor viral, inserimos nos neurônios da região de interesse uma proteína que atua como receptor celular e faz com que esse neurônio passe a responder à luz. Dependendo do receptor inserido, o neurônio pode ser ativado ou desativado com o estímulo luminoso. Além disso, inserimos uma fibra óptica que leva o laser ao local. O tempo decorrido entre ligar ou desligar o laser e o neurônio ser ativado ou desativado é muito curto e, portanto, permite relacionar a função neuronal com o que estamos observando em termos comportamentais”, explicou Motta.

É possível usar a mesma lógica de modificação do neurônio por vetores virais para tornar o processo de ativação e desativação ainda mais específico – discriminando, por exemplo, neurônios glutamatérgicos (que liberam o neurotransmissor glutamato) e neurônios gabaérgicos (que secretam o ácido gama-aminobutírico).

“Alguns experimentos foram feitos com animais que expressavam a enzima Cre recombinase apenas em neurônios glutamatérgicos, por exemplo. Em seguida, inserimos um vírus Cre dependente que leva o receptor sensível à luz apenas àqueles neurônios marcados com a enzima. Assim, conseguimos ativar ou desativar apenas a população de neurônios glutamatérgicos para descobrir o que acontece”, disse Motta.

Outra possibilidade é causar a morte seletiva de uma determinada população de neurônios por meio da injeção de um vírus Cre dependente capaz de codificar uma proteína chamada caspase, que sinaliza para a célula entrar em apoptose (morte celular programada).

Todo esse conjunto de experimentos permitiu mapear as duas diferentes vias neuronais – ambas mediadas por neurônios gabaérgicos – que se complementam na organização da caça. Uma delas vai do núcleo central da amígdala para uma região do tronco cerebral conhecida como formação reticular pontina (PCRt, na sigla em inglês).

Ali estão neurônios que se projetam para a região motora do núcleo ambíguo do décimo primeiro par de nervos – que controla a movimentação da cabeça – e para a região motora do nervo trigêmeo – envolvido na movimentação da mandíbula.

“Os experimentos mostraram, por exemplo, que, se eliminarmos os neurônios que se projetam para a região motora do trigêmeo, o animal corre atrás da presa, mas não consegue dar a mordida necessária para fazer o abate. Por outro lado, continua a mastigar normalmente a ração oferecida no laboratório, mostrando que é outro circuito neuronal que controla esse comportamento alimentar”, contou Motta.

A segunda via parte do núcleo central da amígdala para a substância cinzenta paraquedutal (PAG, na sigla em inglês). Localizada no mesencéfalo, a PAG se projeta para a medula espinhal e orienta a corrida e a perseguição.

“Quando os neurônios dessa via foram eliminados, o tempo de latência para o animal começar a caçar aumentou fortemente. Porém, quando conseguia capturar a presa, ele a abatia sem dificuldades, pois a via da PCRt estava funcionando normalmente”, disse Motta.

Em outro experimento foi avaliada a força da mordida, que não se alterou quando foram eliminados neurônios da via PAG, mas diminuiu fortemente quando os neurônios da via PCRt foram mortos.

Quebra de paradigmaNa avaliação de Canteras, os resultados da pesquisa contribuem para quebrar um paradigma antigo na área de neurociências: o de que a amígdala central é a região responsável por organizar comportamentos relacionados ao medo – como, por exemplo, “congelar” diante de um predador maior ou virar de barriga para cima e demonstrar submissão a um membro hierarquicamente superior da mesma comunidade.

Nos experimentos iniciais, mostrou-se que, quando o núcleo central da amígdala era estimulado pela luz, em vez de surgirem comportamentos defensivos – que indicariam medo – os animais começavam a mastigar, mesmo sem ter qualquer alimento na boca.

“Mostramos agora, de forma cabal, que esse [núcleo central da amígdala] é um centro para organizar comportamentos de caça. E, nesse sistema, pode haver mecanismos que façam o animal parar de caçar em condições ambientais adversas. Então, o que antes se interpretou como medo, poderia ser apenas um sinal para o animal parar de caçar por falta de condições favoráveis”, avaliou Canteras.

Assista  o vídeo realizado pelo Núcleo de Divulgação Científica da USP no site abaixo:

https://www.youtube.com/watch?v=P6kuA9LVD1M&feature=youtu.be

Artigo científicoWENFEI, H et al. Integrated Control of Predatory Hunting by the Central Nucleus of the Amygdala. Cell. v. 168, p. 311-24. 12 jan. 2017

Fonte: Revista Fapesp on line - jan/2017 

Por: Karina Toledo

A estabilidade do cérebro:

Pesquisadores identificam propriedades que garantem estabilidade e robustez de redes biológicas interconectadas, como as de neurônios

© REIS, S. D. S. ET AL/NATURE PHYSICS

Redes interconectadas (colorido) podem funcionar de modo robusto se os nós mais conectados de uma das redes estiverem ligados aos nós mais conectados da outra

Um paradoxo que há tempos intriga estudiosos das chamadas redes complexas pode agora ter sido esclarecido por um grupo internacional de pesquisadores, entre eles físicos da Universidade Federal do Ceará (UFC): como sistemas naturais organizados em redes interconectadas, a exemplo do cérebro humano, funcionam de modo robusto e estável, se as teorias sobre esses sistemas sugerem que perturbações aleatórias seriam capazes de levar ao colapso redes desse tipo? O modo como os pontos que interligam essas redes se conectam uns aos outros explicaria a estabilidade do cérebro, propõem os pesquisadores em um artigo publicado na edição de setembro da revista Nature Physics.

A ideia de rede logo evoca computadores interligados. Mas, a rigor, todo conjunto de elementos conectados de modo que a atividade de um influencie a dos demais pode ser tratado como uma rede, do ponto de vista matemático. Para entender melhor como esses sistemas são formados, basta imaginar um conjunto de pontos, ou nós, interligados por arestas, dando forma a uma imagem semelhante a uma teia de aranha. No caso de uma rede de computadores conectados à Internet, por exemplo, os computadores seriam os nós, e os cabos e meios de transmissão, as arestas. Já as redes de redes são formadas por redes cujos nós se conectam aos nós de outra rede, que se conectam a outros nós de outras redes.

Embora pareçam abstratos, sistemas formados por redes interconectadas estão em todos os lugares, dando forma a redes de infraestrutura — como sistemas de redes elétricas — e redes naturais, como as neuronais. No caso do cérebro humano, certas redes de neurônios precisam trabalhar em conjunto para conciliar todas as atividades desempenhadas pelo órgão. A rede responsável pela visão, por exemplo, precisa estar em sintonia com a rede da audição, de modo que o cérebro faça a correlação entre os sentidos.

Em um sistema de redes interconectadas, no entanto, a interconectividade implica em uma interdependência entre os nós. “Se um nó em uma rede é danificado, os outros nós conectados a ele também o serão”, explica o físico José Soares de Andrade Júnior, do Departamento de Física da UFC e um dos autores do artigo. “Nesse caso, qualquer perturbação — ainda que mínima — em um nó poderia desencadear uma cascata de falhas, desintegrando redes interconectadas de forma abrupta.” Apesar dessas previsões teóricas, ele conta, sabe-se que muitos sistemas biológicos interagem uns com os outros por meio de sistemas de redes interligadas, trocando informações de um modo bastante eficiente e imune a falhas aleatórias, como no caso do cérebro.

No estudo, os pesquisadores investigaram modelos matemáticos de redes interconectadas para entender, do ponto de vista estatístico, que propriedades tornam as redes naturais mais estáveis que as criadas artificialmente pelo homem. Para isso, analisaram uma predição teórica, segundo a qual interligações confiáveis entre nós aumentariam a robustez dessas redes, independente das perturbações que possam afetá-las. Ou seja, mais importante que os nós seria o modo como eles estão conectados. “Conexões aleatórias entre redes interdependentes são consideradas perigosas, aumentando a fragilidade do sistema como um todo. Já as conexões confiáveis são correlacionadas de um modo específico”, explica José Andrade. Para serem consideradas confiáveis, essas conexões precisam dar conta de dois pressupostos.

O primeiro diz que as interligações entre duas ou mais redes devem ser feitas de tal modo que os nós com mais conexões em sua própria rede sejam também os conectados a mais nós em outras redes. Já a segunda premissa diz que, em duas redes, A e B, os nós da rede A devem ser mais propensos a se relacionarem com os nós da rede B que tenham mais conexões na própria rede B. Com isso, redes interconectadas funcionariam de modo robusto se os nós mais conectados de uma das redes estiverem ligados aos nós mais conectados da outra. Além disso, a segunda premissa também impõe que, estatisticamente, sítios (conjuntos de nós) muito conectados na rede A estejam conectados aos sítios com muitas conexões na rede B, enquanto sítios pouco conectados na rede A estejam conectados a sítios pouco conectados na rede B.

Os pesquisadores, então, aplicaram esta predição teórica na prática usando o cérebro humano e sinais funcionais obtidos por meio de técnicas de ressonância magnética funcional (RMf), que mede a atividade cerebral a partir de variações no fluxo sanguíneo regional. Em seguida, testaram a forma de interconexão entre as regiões cerebrais em dois experimentos. Em um, o cérebro estava em estado de repouso. No outro, executando tarefas. Verificaram que as redes cerebrais estavam conectadas de modo que a estabilidade era maximizada, em concordância com as premissas que determinam quando uma conexão é confiável ou não.

Neste caso, se um neurônio de uma das redes morre, outro o substituiria na conexão com a outra rede, já que o importante, do ponto de vista da predição teórica, não seria o neurônio, mas a interligação entre as regiões cerebrais que trocam informações. “Demonstramos que, se as interconexões são fornecidas por nós altamente conectados e as conexões são convergentes, o sistema de redes é estável e robusto a falhas.” Ele explica, porém, que estudos adicionais seriam necessários para avaliar como essa substituição se daria do ponto de vista fisiológico.

Ainda que possam ter resolvido um antigo quebra-cabeça, central para a existência e o funcionamento de redes biológicas interconectadas, os pesquisadores agora se veem diante de uma questão talvez ainda mais desafiadora: como poderíamos atribuir às redes de redes artificiais, como as do mercado financeiro, por exemplo, as mesmas características que garantem a estabilidade e a robustez às redes biológicas?

Artigo científico
REIS, S. D. S. et al. Avoiding catastrophic failure in correlated networks of networks.Nature Physics. v. 10, p. 762–7. set. 2014.

Fonte: Revista Fapesp on line nov/2014 por Rodrigo de Oliveira Andrade 

Dimensões do olfato

Estruturas dentro do núcleo explicam funcionamento genético dos neurônios especializados em detectar odores

Projeções de neurônios detectam odores no fundo do nariz

© STEVE GSCHMEISSNER /SCIENCE PHOTO LIBRARY

Exuberantes tons de frutas e flores, especialmente violetas; caráter vegetal e levemente apimentado com aroma de bosque; levemente frutado, com notas minerais terrosas, associadas a nuances aromáticas de couro e chocolate. Algumas descrições especializadas de vinhos parecem um exercício mirabolante de imaginação, mas são também testemunho de um faro apurado. E a maneira como o olfato consegue detectar essas sutilezas não fica atrás em extravagância. A organização tridimensional do material genético parece ser responsável pela capacidade singular de cada neurônio olfatório de produzir apenas um tipo de receptor para moléculas odorantes, segundo estudo recente da bioquímica Bettina Malnic, do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (IQ-USP). “O DNA genômico não está espalhado ao acaso dentro da célula como uma porção de espaguete em um prato de sopa”, compara a pesquisadora. Assim como outros estudos feitos nas últimas décadas, a novidade deixa claro que o funcionamento do olfato é ainda mais complexo do que as descrições dos sommeliers, e para entendê-lo também é necessário pensar fora da norma.

Os neurônios olfatórios têm uma particularidade em relação às outras células do corpo, que têm na superfície uma grande diversidade de receptores capazes de reconhecer moléculas em seu entorno. Entre os mil genes, aproximadamente, que em camundongos abrigam o código para receptores de odorantes (são cerca de 400 nos seres humanos), apenas um está ativo num determinado neurônio. E mais do que isso: apenas uma das duas cópias do gene, ou alelos, está ativa. Essa especialização é essencial para o mapeamento dos cheiros no cérebro – todos os neurônios que têm sua superfície salpicada por um determinado tipo de receptor mandam projeções para uma mesma região do cérebro, que reconhecerá o aroma correspondente. Por essa razão, o buquê complexo de uma taça de vinho ativa uma série de receptores diferentes que, por sua vez, atingem diversas áreas especializadas no cérebro. Esse mapeamento do olfato em termos de receptores e de como a recepção se organiza no cérebro rendeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina aos norte-americanos Linda Buck e Richard Axel em 2004, e vem ocupando Bettina ao longo de sua carreira.

Há alguns anos, ela descobriu que as moléculas odorantes se encaixam em mais de um receptor, embora estes sejam muito específicos (ver Pesquisa FAPESP nº 155). São moléculas com várias pontas, cada uma delas com um encaixe diferente. Por se conectarem a mais de um neurônio, cada molécula de cheiro é capaz de ativar mais de uma área no cérebro. Esse código complexo é o que permite que se detecte um amplo repertório aromático, por meio da combinação da ação de vários receptores.

Para os seres humanos, que não são reconhecidos por seu faro apurado, acreditava-se que esse repertório fosse da ordem de 10 mil odores. Recentemente, porém, um estudo de pesquisadores da Universidade Rockefeller, nos Estados Unidos, aumentou em muito essa estimativa. Os pesquisadores norte-americanos fizeram uma série de misturas com 10, 20 ou 30 componentes a partir de um repertório de 128 moléculas odorantes, e testaram a capacidade de voluntários de nariz bem treinado distinguirem entre elas, segundo artigo publicado em março na Science. A partir desses resultados, uma série de cálculos levou à cifra de 1 trilhão de estímulos olfativos. Bettina não acredita que esse número deva ser tomado de forma muito literal, mas é importante por ser várias ordens de grandeza superior à estimativa anterior. “Contraria a noção de que o olfato não é importante para seres humanos”, reflete a brasileira.

O que até agora não se conhecia era o mecanismo de silenciamento dos genes que ficam inativos em cada um dos neurônios que lançam projeções para a superfície do epitélio no fundo do nariz. “Procuramos entender como o neurônio olfatório realiza a façanha de só ter a expressão de uma das duas cópias de um único gene, dessa maneira tão eficiente.” Para entender a regulação dos genes responsáveis pela construção dos receptores para moléculas de odor, Bettina analisa o núcleo dos neurônios como uma estrutura em que o material genético tem uma organização espacial precisa. “O núcleo não é uma sopa com todas as coisas jogadas ali, ele tem compartimentos, como se em cada sala uma função diferente fosse desempenhada”, explica.

No epitélio nasal de camundongo transgênico,
neurônios em que o gene P2 está ativo aparecem
em verde fluorescente

© BETTINA MALNIC / USP

Arquitetura
Em células de camundongos, o grupo da USP usou uma técnica conhecida como imuno-DNA Fish tridimensional, que permite localizar dentro do núcleo os genes de receptores olfativos. “É como se dividíssemos o núcleo em fatias, que podemos juntar e obter uma imagem tridimensional”, explica Bettina. O trabalho, publicado em fevereiro deste ano na PNAS, foi feito em grande parte pela bióloga Lucia Armelin-Correa, durante o pós-doutorado no laboratório de Bettina. Ela usou um microscópio de alta resolução para visualizar as estruturas do núcleo dos neurônios. O que viu foi uma organização inesperada de regiões em que o DNA é enovelado de maneira mais compacta – a heterocromatina –, em que o funcionamento dos genes é inibido, e de áreas ativas – a eucromatina –, em que o material genético tem fisicamente mais espaço para suas reações bioquímicas. Lucia, Bettina e outros integrantes do laboratório detectaram uma particularidade nos neurônios olfatórios: a heterocromatina está condensada numa esfera junto ao centro do núcleo, e não em vários pontos menores e periféricos, como em outros tipos de células.

O resultado é compatível com o que foi observado pelo grupo do grego Stavros Lomvardas, da Universidade da Califórnia em São Francisco (UCSF), em artigo publicado no final de 2012 na Cell. Segundo o grupo norte-americano, que Bettina considera um bom competidor, essa paisagem tridimensional em que genes e sequências de regulação estão ora escondidos, ora expostos de acordo com o tipo de célula pode ser essencial para determinar as características específicas de cada tecido.

Com uma sonda fluorescente que reconhece todos os genes que codificam os receptores olfatórios, a equipe de Lomvardas mostrou de maneira global que esses conjuntos moleculares estão agregados no compartimento que reprime a atividade, a heterocromatina. O grupo de Bettina fez uma análise mais detalhada e investigou a qual estrutura nuclear estão associadas quatro regiões do DNA com genes para receptores olfatórios, localizadas em três cromossomos diferentes. “Para todos os quatro genes, vimos que em grande parte dos núcleos havia um alelo junto à heterocromatina e outro não”, conta Bettina. Como controle, os pesquisadores monitoraram também o gene de uma proteína olfatória que está sempre ativo: este estava associado à heterocromatina apenas em 20% dos núcleos examinados. A bioquímica da USP ainda fala com cautela, mas acredita que os resultados podem explicar a inativação sistemática de um dos alelos dos genes para receptores de odores.

Um resultado intrigante foi que cerca de 45% das marcas fluorescentes para um dos genes estavam associadas à heterocromatina, e apenas outros 17% à eucromatina, onde deveriam estar os alelos ativos. Era uma indicação de que uma parte deles deveria estar associada a alguma outra estrutura.

© INFOGRÁFICO: ANA PAULA CAMPOS / ILUSTRAÇÃO: PRISCILA MENEGASSO

Investigando mais a fundo, a equipe de Bettina viu que é necessário analisar dois tipos de heterocromatina para localizar as duas cópias de cada gene. A heterocromatina constitutiva, concentrada no miolo do núcleo, abriga pelo menos um dos alelos em grande parte das células. O outro costuma estar localizado junto à heterocromatina facultativa, que nos neurônios do olfato também se concentra numa área central do núcleo, formando como que um chapéu em torno da constitutiva. Conforme o gene estudado, em 60% ou 73% dos núcleos examinados pelo menos um dos alelos estava associado à heterocromatina facultativa. Como o nome indica, essa estrutura pode se descondensar e alterar suas propriedades, de maneira que os alelos localizados nela teriam a possibilidade de ser liberados para a ação. “O mecanismo dessa repressão mais plástica ainda é pouco estudado”, explica Bettina, que acredita que os dois tipos de heterocromatina trabalhem em conjunto para regular a expressão gênica de receptores de odores. “O padrão de distribuição dos dois tipos de heterocromatina indica que algo importante está acontecendo ali.”

 

Até agora, o trabalho respondeu a algumas perguntas e gerou muitas outras, com a possibilidade de ampliar o olhar para o genoma inteiro. Por enquanto, o estudo mostrou que a organização das heterocromatinas e da eucromatina pode ser diferente para cada tipo de célula, com um impacto importante na atividade genética. “As vizinhanças entre genes podem variar conforme o tecido”, diz Bettina. Com ajuda dessas estruturas nucleares, o DNA pode se enovelar de maneira que genes que ficam muito distantes, quando se considera o fio esticado, acabem por estar juntos e possam funcionar em conjunto e influenciar um ao outro por meio das moléculas que produzem.

“O olfato é um modelo”, alerta a bioquímica. Para ela, os neurônios olfatórios são convenientes para esse tipo de estudo devido ao seu sistema de inativação dos genes. O que eles revelarem pode, ela espera, ajudar a entender a regulação do material genético nos outros tipos de células.

Projetos
1. Os mecanismos moleculares do olfato (nº 2011/51604-8); Modalidade Projeto Temático; Pesquisadora responsável Bettina Malnic (IQ-USP); Investimento R$ 809.219,21 (FAPESP).
2. Regulação da expressão de genes de receptores olfatórios: estudo da arquitetura nuclear de neurônios olfatórios e do posicionamento relativo de alelos ativos e inativos (nº 2007/57734-5); Modalidade Bolsa no país – Regular – Pós-doutorado; Pesquisadora responsável Bettina Malnic (IQ-USP); Bolsista Lucia Maria Armelin-Correa; Investimento R$ 222.662,28 (FAPESP).

Artigo científico
ARMELIN-CORREA, L.M. et al. Nuclear compartmentalization of odorant receptor genes. PNAS. v. 111, n. 7, p. 2782-87. 18 fev. 2014. 

Fonte:  Revista Fapesp on line - edição 220

Por: Maria Guimarães

Fronteiras fluidas: Propriedades elásticas da membrana variam segundo o tipo e a função da célula

© NIBSC / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Captura: célula de defesa chamada macrófago (amarelo) emite prolongamentos e envolve uma hemácia, antes de a digerir

Cada célula do organismo é como uma metrópole agitada em que, em vez de carros e pessoas, circulam continuamente moléculas e estruturas de tamanhos e tipos variados, essenciais para mantê-la viva. Toda essa movimentação, por vezes frenética, ocorre em um espaço limitado, definido por uma estrutura extremamente delgada e maleável: a membrana celular. Formado por uma dupla camada de lipídios, um tipo de gordura que lhe dá a viscosidade de um óleo fino e o torna relativamente fluido, esse revestimento das células abriga aqui e ali proteínas incrustadas. Nos últimos anos vem crescendo a compreensão de que a membrana, de aspecto frágil ao microscópio, desempenha funções bem mais complexas do que a de somente separar o conteúdo interno do meio externo das células.

“A membrana é muito mais do que o pacote envolvendo o conteúdo celular”, resume o biólogo Bruno Pontes, pesquisador da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Atualmente em um estágio de pós-doutorado no Instituto de Mecanobiologia da Universidade Nacional de Cingapura, no Sudeste Asiático, Bruno integra uma equipe no Rio que investiga as características físicas da membrana celular e recentemente mediu, com nível inédito de precisão, suas propriedades elásticas.

Coordenado pelo físico Herch Moysés Nussenzveig, conhecido internacionalmente por seus estudos em óptica, o grupo da UFRJ inclui biólogos, matemáticos, além de, claro, físicos. Em uma série de testes feitos nos últimos anos os pesquisadores usaram um feixe de laser bastante concentrado para manipular em laboratório a membrana de células do cérebro, do sangue e de outros tecidos. Com essa ferramenta chamada de pinça óptica – no ponto de maior concentração, o laser induz o surgimento de dipolos elétricos que permitem atrair e mover objetos microscópicos e, por exemplo, manusear células vivas sem as danificar –, eles constataram que tipos distintos de células apresentam propriedades elásticas de membrana diferentes.

Em experimentos bastante delicados, Bruno usou o laser da pinça para aprisionar esferas microscópicas de um material plástico e, em seguida, fazê-las aderir a diferentes pontos da membrana das células. Segundos mais tarde ele puxava cada uma das esferas a uma velocidade constante até que se formasse um tubo alongado de membrana – a força necessária para esticar a membrana e formar um tubo é da ordem de dezenas de piconewtons, alguns trilionésimos da força que a gravidade exerce sobre uma maçã.

Medindo o raio do tubo e a força necessária para formá-lo, foi possível obter as duas grandezas físicas que determinam a elasticidade da membrana: a tensão superficial (resistência a se romper) e a rigidez de curvatura (resistência a se dobrar). Em alguns casos, a elasticidade da membrana variou tanto de um tipo celular para outro que, segundo Nussenzveig, “saltou aos olhos que deve existir uma relação direta entre as propriedades da membrana e a função que a célula desempenha no organismo”.

Os neurônios, as células mais abundantes no cérebro, responsáveis pelo armazenamento e pela transmissão de informações, foram também aquelas com membrana mais flexível entre os cinco tipos de célula avaliados. Com formato bastante característico, o neurônio tem uma região mais volumosa, o corpo celular, onde fica o núcleo, e outra composta por prolongamentos mais estreitos e alongados, os axônios e dendritos, por onde os sinais elétricos trafegam até chegar ao neurônio seguinte. No cérebro, um neurônio se conecta a outros por meio dessas extensões que podem ser remodeladas constantemente. Como preservam essa plasticidade e são bastante assimétricos, faz sentido, segundo o grupo da UFRJ, que sua membrana seja mais maleável.

O segundo colocado nessa espécie de ranking de flexibilidade foram os astrócitos, de acordo com os resultados que os pesquisadores publicaram em julho deste ano na revista PLoS One. Os astrócitos têm a aparência de estrela e são o segundo tipo de célula mais abundante no cérebro, onde desempenham os papéis essenciais de nutrir os neurônios e de regular a formação de sinapses, conexões entre um neurônio e outro.

Curiosamente, a célula cerebral com membrana mais rígida é também a que costuma ser mais ativa e é capaz de sofrer mais deformações: a micróglia. Semelhante ao astrócito, mas com prolongamentos mais extensos, a micróglia é a principal célula de defesa do sistema nervoso central. Com esses prolongamentos, ela sonda o ambiente o tempo todo à procura de células doentes e agentes infecciosos. Quando os encontra, emite prolongamentos e os engloba para em seguida os destruir, num processo chamado fagocitose.

Na interpretação dos pesquisadores, faz todo o sentido que as propriedades físicas da membrana variem segundo o tipo de célula. Afinal, células diferentes desempenham funções distintas no organismo. “A membrana faz a interface entre o interior da célula e o meio externo, permitindo a interação entre ambos”, lembra o físico, coordenador do Laboratório de Pinças Ópticas da UFRJ. “Ela também detecta sinais químicos e estímulos mecânicos do ambiente ao redor e os transmite para o interior da célula. Ao mesmo tempo, serve de plataforma para a célula exibir sinais para o restante do organismo, indicando, por exemplo, a necessidade de se produzirem anticorpos. Além disso, a membrana dá forma à célula e também se deforma, permitindo à célula se mover por meio da emissão de projeções”, conclui.

Nos experimentos feitos na UFRJ, Bruno e os outros pesquisadores da equipe de Nussenzveig constataram também que a membrana da micróglia apresenta as mesmas propriedades elásticas da membrana de outras células de defesa: os macrófagos, que são produzidos na medula dos ossos e lançados na corrente sanguínea, por meio da qual se espalham pelo corpo (com exceção do sistema nervoso central). De modo semelhante à micróglia, os macrófagos também realizam fagocitose, emitindo prolongamentos que identificam, englobam e destroem tanto células velhas como agentes infecciosos e partículas estranhas ao organismo.

Para o grupo da UFRJ, uma origem embrionária comum pode explicar o fato de a membrana dos macrófagos e a das micróglias compartilharem as mesmas propriedades elásticas. Ambas as células são provenientes da mesoderme, uma das três camadas de células que formam o embrião em seus estágios iniciais (as demais células do sistema nervoso central se originam na ectoderme). E conservam muitas características em comum, embora migrem para regiões diferentes do corpo durante o desenvolvimento – a micróglia vai para o sistema nervoso central, enquanto o macrófago circula pelos tecidos periféricos.

“São como irmãos que foram criados juntos na infância e depois de adultos foram viver em países diferentes”, compara Bruno. “Eles preservam muitas características em comum, embora vivam separados e em contextos diferentes.” Nussenzveig lembra que tanto a micróglia quanto o macrófago têm de suportar forças intensas e grande deformação da superfície durante a fagocitose, o que justificaria que tivessem membranas mais resistentes.

Essa rigidez, porém, não é permanente. Ela é cerca de quatro vezes superior à da membrana dos neurônios quando a micróglia e o macrófago estão inativos, em um estado de dormência. E cai a cerca de metade da inicial quando essas células de defesa são ativadas.

Os pesquisadores registraram esse aumento de flexibilidade quando trataram os macrófagos e as micróglias com compostos encontrados nas paredes de bactérias. Esses compostos despertam as células de defesa e as tornam ativas. “A diminuição da rigidez de curvatura facilita a essas células se dobrarem e emitirem prolongamentos, preparando-se para fagocitar”, explica Nussenzveig.

A semelhança que encontraram entre macrófagos e micróglias também foi observada entre astrócitos e células de glioblastoma, um tipo devastador de tumor cerebral que resulta da proliferação descontrolada de astrócitos. “Ainda não sabemos os detalhes de como essas propriedades influenciam a função de uma célula”, diz Bruno. “Mas o fato de as constantes elásticas mudarem de acordo com o ambiente e o estado em que a célula se encontra certamente exerce alguma influência sobre o seu desempenho”, conta o biólogo, que em Cingapura trabalha com a equipe de Nils Gauthier tentando compreender melhor como essas propriedades elásticas da membrana poderiam orquestrar uma série de fenômenos no interior da célula.

“Esses são indícios bastante consistentes de que as propriedades elásticas da membrana conservam uma relação direta com a função da célula no organismo”, diz Nussenzveig. No trabalho publicado na PLoS One, a equipe da UFRJ demonstrou também que a flexibilidade da membrana não depende apenas dos lipídios que a formam. O que determina em grande parte sua rigidez é o chamado citoesqueleto de actina: uma rede difusa de filamentos da proteína actina que se distribuem pelo interior da célula e se ancoram nas proteínas aprisionadas na membrana.

Antes desse trabalho, se acreditava que os tubos de membrana que se formam quando a célula é manipulada com uma pinça óptica fossem constituídos de membrana pura, ou seja, quase exclusivamente lipídios. O grupo da UFRJ demonstrou que ao puxar a membrana, junto com os lipídios, também se arrasta o citoesqueleto. Observações anteriores, realizadas pelo grupo do Michael Sheetz, diretor do Instituto de Mecanobiologia em Cingapura, onde Bruno faz seu pós-doutorado desde o início do ano, não levavam em consideração a influência dessa rede de fibras proteicas. Essa situação, para os pesquisadores da UFRJ, não condiz com a realidade. “Uma célula com membrana pura, desacoplada do citoesqueleto, não existe porque seria muito instável”, explica Nussenzveig. “Na célula, a membrana fica ancorada em uma espécie de tapete de actina, o córtex, que lhe confere maior rigidez.”

Seu grupo também verificou que a membrana das células é dezenas de vezes mais resistente do que se imaginava. Especialista em óptica e criador do Laboratório de Pinças Ópticas da UFRJ, ele e os físicos Nathan Bessa Viana e Paulo Américo Maia Neto perceberam que, de um modo geral, as pinças ópticas – elas consistem em um sistema de laser acoplado a um microscópio – sofriam de uma espécie de defeito de visão, que interferia nas medições. Esse defeito é uma aberração óptica chamada astigmatismo, uma alteração no foco do laser diminui a força que ele é capaz de exercer. Depois de 13 anos estudando o assunto, a equipe da UFRJ afirma ter finalmente identificado a causa do problema e encontrado uma forma de corrigi-lo. “O trabalho descrevendo essas correções já foi submetido e deve ser publicado em breve”, conta Nussenzveig.

“Finalmente a pinça está completamente entendida a partir de primeiros princípios”, diz o físico. Com isso ele acredita que seu grupo conseguiu o controle completo sobre a pinça e como aumentar seu poder de captura. “Até os nossos trabalhos, a calibração era feita de modo indireto, comparando com força hidrodinâmica, causada pelo atrito da microesfera plástica com o fluido”, conta. Como consequência da calibração menos precisa dos instrumentos, viam-se diferenças grandes, da ordem de até 10 vezes, nas medições feitas por laboratórios distintos. “Nosso grupo é o único que até o momento obteve a calibração absoluta e nossos resultados são confiáveis dentro da precisão que é possível alcançar em biologia celular”, afirma Nussenzveig, que, aos 80 anos, continua entusiasmado com suas pesquisas e sabe que ainda se está longe de conseguir um modelo físico da membrana celular. “Há teorias que procuram analogias com materiais que a gente conhece para descrever o funcionamento da membrana das células”, conta. “Mas são rudimentares. Não basta tratar os materiais como sistemas inertes, passivos. É preciso levar em conta as reações da célula como sistema vivo.”

Artigo científico

PONTES, B. et al. Membrane elastic properties and cell function. PLoS One. 3 de jul. 2013.

Fonte: Revista Fapesp on line - edição 213 - 11/2013

Por Ricardo Zorzetto

Desacoplamento de neurônios pode ser estratégia de neuroproteção

Experimento feito na UFABC mostra que é possível deter o espalhamento da morte celular a partir da reversão do acoplamento entre as células nervosas, que normalmente é responsável pelas sinapses elétricas

Agência FAPESP – Além das conhecidas sinapses químicas – que permitem a interação entre as células nervosas, envolvendo neurotransmissores e receptores –, os neurônios também se comunicam com sinapses elétricas. Nesse tipo de sinapse, correntes de íons passam diretamente de uma célula a outra por meio de canais conhecidos como “junções comunicantes”, produzindo um acoplamento entre os neurônios.

Uma pesquisa realizada por pesquisadores brasileiros mostrou que desacoplar os neurônios pode ser uma estratégia simples e eficaz para a neuroproteção – isto é, interromper processos de morte celular relacionados a doenças neurodegenerativas como Parkinson, Alzheimer e epilepsia.

O estudo, publicado na revista PLoS One, foi liderado pelo professor Alexandre Kihara, coordenador da pós-graduação em Neurociência e Cognição da Universidade Federal do ABC (UFABC). O trabalho foi realizado com apoio da FAPESP por meio do Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes.

Além de Kihara, participaram da pesquisa seus orientandos de doutorado Vera Paschon e Guilherme Higa – ambos bolsistas da FAPESP –, além dos professores Luiz Roberto Britto, do Departamento de Fisiologia e Biofísica do Instituto de Ciências Biomédicas (ICB) da Universidade de São Paulo (USP), e Rodrigo Resende, do Departamento de Bioquímica e Imunologia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

Segundo Kihara, embora sejam historicamente menos estudadas que as sinapses químicas, sabe-se hoje que as sinapses elétricas são fundamentais em diversas funções fisiológicas e cognitivas, como desenvolvimento, aprendizado, memória e percepção. Estudos recentes têm mostrado, também, que a participação das junções comunicantes no acoplamento entre os neurônios está relacionada com o espalhamento da apoptose, ou morte celular.

“Na apoptose, que é um processo comum a todas as doenças neurodegenerativas, o neurônio altera sua programação interna para ‘se suicidar’. Ocorre que, se um neurônio em apoptose estiver acoplado com um neurônio sadio – como mostra nosso estudo –, esse acoplamento permite a passagem de determinadas moléculas que aumentam a probabilidade de o neurônio sadio entrar em apoptose também”, disse Kihara à Agência FAPESP.

Segundo Kihara, no entanto, os cientistas ainda estão investigando quais são as moléculas envolvidas no espalhamento da apoptose por meio do acoplamento entre os neurônios. Além de tradicionais segundos mensageiros – como IP3, um importante sinalizador de cálcio – , o grupo da UFABC levanta a hipótese de que os microRNAs (miRNAs) podem estar envolvidos no processo.

“Os miRNAs regulam negativamente a tradução e representam uma camada adicional de controle entre o RNAm e as proteínas. A proposta de que miRNAs possam trafegar por junções comunicantes é considerada muito ousada. No entanto, ninguém conseguiu levantar argumentos concretos contra a hipótese, enquanto nós já temos alguns indícios a favor”, disse Kihara.

Para que ocorra um trânsito de moléculas entre as células, não basta que elas estejam acopladas. É preciso também que existam gradientes – isto é, que um dos neurônios acoplados tenha uma concentração de moléculas maior que o outro. Sendo assim, os pesquisadores usaram a estratégia de gerar gradientes a partir de lesões feitas com agulhas finíssimas nas retinas de galos.

A lesão era focada o suficiente para produzir a morte celular em um ponto específico do tecido, sem afetar o entorno, gerando um gradiente. Esse acoplamento foi manipulado farmacologicamente com diversas drogas. Quando os fármacos desacoplavam os neurônios, os pesquisadores observaram uma redução do espalhamento da morte celular.

“A estratégia foi produzir uma lesão aguda e localizada, com o intuito de gerar gradientes de concentração no tecido, para em seguida desacoplar bioquimicamente os neurônios. Para isso, uma dupla abordagem foi realizada, combinando lesões de retina in vivo e explantes de retina, modelo in vitro, mais adequado que as tradicionais culturas de células”, explicou Kihara.

Aplicação potencial

A estratégia de neuroproteção utilizando diferentes moléculas que desacoplam neurônios foi também capaz de regular negativamente genes pró-apoptóticos como as caspases. “A estratégia se mostrou tão eficiente que foi reproduzida in vivo, resultando em diminuição da área afetada e da morte neuronal”, disse Kihara.

“Mostramos também que os neurônios que estão em apoptose mantêm a expressão de conexinas – que são proteínas responsáveis por formar os canais de junções comunicantes, permitindo a ocorrência do acoplamento. Isso é importante, porque assim pudemos eliminar a hipótese de que um neurônio em processo de apoptose pudesse deixar de expressar as proteínas que formam o canal de acoplamento”, disse.

Segundo Kihara, a partir de agora os estudos irão investigar a hipótese de que os miRNAs transitem pelos canais de junções comunicantes e participam do processo de espalhamento da apoptose entre células acopladas.

A equipe que trabalhará com essa hipótese terá a participação de Erica de Sousa, aluna de graduação da UFABC e autora de um capítulo sobre miRNAs no livro Sinalização de Cálcio: Bioquímica e Fisiologia Celulares, que será lançado no início de outubro, no 1º Simpósio Brasileiro de Sinalização de Cálcio: Bioquímica e Fisiologia Celulares, na UFMG.

De acordo com Kihara, os estudos continuarão também a explorar as possibilidades de utilizar o desacoplamento de neurônios como estratégia de neuroproteção, com potencial aplicação no tratamento de doenças neurodegenerativas.

“Continuaremos investigando como e quando fazer isso de forma mais eficiente dependendo da doença. Mas acreditamos que uma nova porta foi aberta para estudos em neurodegeneração”, disse.

O artigo Blocking of Connexin-Mediated Communication Promotes Neuroprotection during Acute Degeneration Induced by Mechanical Trauma, de Vera Paschon e outros, pode ser lido na PLoS One em www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0045449

Fonte: Revista Fapesp por Fábio de Castro

E com muito orgulho compartilhamos com todos,  que apesar de não terem participado diretamente deste estudo a Biomedicina Metodista se faz presente neste importante grupo de pesquisa da UFABC liderado pelo Dr. Alexandre Kihara. 

Nossas representandes são: Dra. Érika Reime Kinjo que faz seu pós-doutorado e a aluna de Iniciação Científica Bianca A. Santos, que em breve estará no mestrado! Parabéns!!!!!!

ORGULHO DE SER BIOMEDICINA METODISTA!

GRUPO EUROPEU RECEBE 1 BILHÃO DE EUROS PARA SIMULAR O CÉREBRO HUMANO EM COMPUTADOR

A União Europeia decidiu financiar um projeto de 1 bilhão de euros (R$ 2,64 bilhões) para reconstruir em computador uma simulação do cérebro humano.

O Projeto Cérebro Humano (Human Brain Project) é capitaneado por Henry Markram, do Instituto Federal de Tecnologia Suíço em Lausanne, e conta com cerca de 200 participantes de 80 países.

Ele promete que, com os resultados, chegará a um entendimento melhor de como nossa cabeça funciona, a ponto de guiar tratamentos para doenças como epilepsia e mal de Alzheimer.

Escolhida como um dos dois projetos-mestres em ciência para a próxima década pelo Parlamento Europeu --o outro envolve o estudo do grafeno, nanotecnologia que pode revolucionar a computação--, a iniciativa não carece de ambição ou de críticos.

DETALHES

Markram já tocava um esforço menor em Lausanne, chamado Blue Brain Project, concentrado na reconstrução gradual de uma parte de um cérebro de rato. A abordagem adotada é começar de baixo, ou seja, pelas minúcias de funcionamento de um simples neurônio.

Os neurônios são as células nervosas mais importantes do cérebro e se interconectam por meio das sinapses. Todos os processos em nossa cabeça envolvem o disparo de sinais elétricos pelos neurônios que, por sua vez, parecem ser determinados pelos chamados canais de íons nas sinapses.

Em 2005, Markran e seus colegas desenvolveram um modelo detalhado de um único neurônio. A partir daí, começaram a integrar esse modelo em rede de múltiplos neurônios, até atingir uma escala de 10 mil deles, em 2008.

No momento, eles trabalham com cem dessas "colunas", o que equivale a 1 milhão de neurônios interconectados simulados em computador.

 

Ainda assim, é apenas um recorte pequeno se comparado ao número de neurônios de um cérebro humano, na ordem dos 100 bilhões.

Para produzir a simulação completa em dez anos, o Projeto Cérebro Humano conta com supercomputadores que ainda não existem.

Eles estão apostando que a Lei de Moore --enunciada pelo cofundador da Intel Gordon Moore--, segundo a qual os computadores dobram seu poder de processamento a cada 18 meses, se mantenha até lá. Assim, eles terão o poder computacional desejado quando a hora chegar.

Enquanto isso, as diversas equipes do projeto recolherão tantos dados quanto for possível sobre a operação de certas partes do cérebro, de forma a viabilizar a simulação completa.

CRÍTICAS

Há muitos cientistas ressabiados com tanto dinheiro sendo colocado num projeto de alto risco, ameaçando o financiamento de empreitadas menores na neurociência.

"Precisamos de muitas pessoas expressando tantas ideias diferentes quanto possível", disse Rodney Douglas, codiretor do Instituto para Neuroinformática, também da Suíça, no periódico científico "Nature".

Markram responde que sua proposta admite variedade, mas também oferece um modelo unificado para compreender o cérebro todo, coisa que não existe ainda.

E nem só de críticas vive o projeto. "Tal como propõe o Projeto Cérebro Humano, não tenho dúvidas de que a simulação em um supercomputador é teoricamente possível", afirma José Soares de Andrade Junior, pesquisador da Universidade Federal do Ceará que trabalha com simulações neurais.

Mas há ressalvas: "Digo teoricamente porque parto do pressuposto de que o conhecimento que já adquirimos e que vamos adquirir acerca dos processos microscópicos ao nível dos neurônios e das sinapses, da morfologia e funcionalidade neuronais, bem como da arquitetura da rede de neurônios que compõe o cérebro será suficiente para tal tarefa."

Essa é, literalmente, a pergunta de 1 bilhão de euros.

Fonte: Folha on line

Por: Salvador Nogueira- colaboração Para A Folha

Imagem: Demétrius Daffara/Editoria de Arte/Folhapress