Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Spike timing-dependent plasticity induces non-trivial topology in the brain

Revista Neural Networks

Há algum tempo o homem utiliza a arte de descrever matematicamente um fenômeno para modelar sistemas biológicos. O cérebro é um destes sistemas e atualmente apresenta-se como um dos focos de estudo mais promissores da ciência. Na busca por respostas sobre esse sistema com aproximadamente 100 bilhões de neurônios, cada um com cerca de 10 mil conexões é crescente o estudo comportamental dos entes dispostos em uma rede.

No contexto destes estudos, alguns integrantes do grupo Controle de Oscilações do Instituto de Física da USP desenvolvem trabalhos em parceria com IES no Brasil e no exterior. Em um trabalho recentemente publicado, apresentam o estudo da capacidade do neurônio, disposto em uma rede, mudar temporária ou permanentemente suas conexões e comportamento.

Conforme explica a jovem pesquisadora do Instituto de Física Kelly C. Iarosz, “O cérebro é basicamente constituído por neurônios com diferentes funções. Apresenta-se dividido em dois hemisférios (esquerdo e direito), tais são unidos por fibras nervosas e estão em constante comunicação. Quando acontece desta comunicação deixar de existir por alguma razão, a informação tentará encontrar uma outra via para chegar ao seu destino. Esta capacidade de reorganização dos caminhos neurais em resposta a novas informações, ambientes, desenvolvimentos, estímulos sensoriais ou danos, denomina-se neuroplasticidade”. Kelly explica a importância em entender o mecanismo de plasticidade cerebral para aplicações futuras na medicina e no dia a dia das pessoas. E ainda comenta que “os trabalhos desenvolvidos até o momento levam em consideração a plasticidade sináptica do cérebro. Tal plasticidade pode ser intensificada ou inibida, e esse processo afeta diretamente os indivíduos, um exemplo seria a aprendizagem”.

A integrante do trabalho chama a atenção para os resultados encontrados ao longo dos anos, mostrando os efeitos da plasticidade sináptica dependente do tempo (STDP) sobre o comportamento síncrono e a topologia das redes neurais envolvidas”. No atual trabalho “revela que a evolução da rede utilizada resulta em uma topologia complexa” e ainda explica que “a STDP baseada em regras de Hebb resulta em uma mudança na direção das sinapses entre os neurônios de altas e baixas freqüências”.

Além dos três físicos do grupo de Controle de Oscilações do Instituto de Física, Iberê L. Caldas, Kelly C. Iarosz e Fernando S. Borges esse trabalho contou com pesquisadores Antonio M. Batista (Universidade Estadual de Ponta Grossa), Rafael R. Borges (Universidade Federal Tecnológica do Paraná), Ewandson L. Lameu (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), Murilo S. Baptista (University of Aberdeen, Reino Unido) e Chris G. Antonopoulos (Universidade de Essex, Reino Unido).

O artigo “Spike timing-dependent plasticity induces non-trivial topology in the brain”, publicado no 31.01.2017, na revista Neural Networks está disponível no link:

http://dx.doi.org/10.1016/j.neunet.2017.01.010

Contatos:

Iberê Luiz Caldas (3091-6914) – E-mail: ibere@if.usp.br

Kelly Cristiane Iarosz (3091-6657) – E-mail: kiarosz@if.usp.br

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Biophysical studies suggest a new structural arrangement of crotoxin and provide insights into its toxic mechanism

Revista NATURE – Scientific Reports

Pesquisa publicada on line em 03 de março de 2017.

http://www.nature.com/articles/srep43885

Uma pesquisa publicada no início deste mês na revista Scientific Reports, da Nature, por um grupo de pesquisadores brasileiros, forneceu um modelo  estrutural detalhado da Crotoxina (CTX), uma neurotoxina encontrada em venenos de cobras cascavéis, favorecendo potenciais aplicações terapêuticas desta proteína, como: imunomoduladores, anti-inflamatórias, analgésicas, antitumorais, entre outras.     

“Mecanismo de toxicidade da crotoxina revelado por estudos biofísicos”

A crotoxina (CTX) é uma neurotoxina encontrada em venenos de cobras cascavéis (Crotalus durissus terrificus). Este complexo proteico é um heterodímero composto de uma proteína não-tóxica e não enzimática (CA) e outra proteína fosfolipase com características tóxicas (CB).  Essa neurotoxina tem diversas potenciais aplicações devido a sua ação paralisante semelhante a toxina butolínica (popular Botox^TM), sendo proposta como medicamento para tratamento do estrabismo devido a seus efeitos serem mais duradouros do que a toxina butolínica. Além disso, aplicações como potencial agente terapêutico, anti-inflamatório e anti-tumoral também são propostas.

Em um artigo recente publicado na revista Nature Scientific Reports (Scientific Reports 7, Article number: 43885 (2017)), pesquisadores da UNESP, USP, UFMG e FUNED obtiveram informações sobre o mecanismo de ação da CTX, indicando quais regiões  desta proteína estão envolvidas com a toxicidade. Neste trabalho a combinação de técnicas de calorimetria de titulação isotérmica (ITC), espectroscopia de fluorescência (FE), dicroísmo circular (CD), espalhamento de luz dinâmico (DLS) e espalhamento de raios X a baixos ângulos (SAXS) permitiram a obtenção de um modelo estrutural para a CTX indicando que os triptofanos da proteína estão localizados na interface entre os domínios CA/CB enquanto a região N-terminal do domínio CB é exposta ao solvente.

Este estudo contou com participação do Prof. Cristiano Luis Pinto de Oliveira e de sua ex-aluna de mestrado, Ranata Naporano Bicev, do Departamento de Física Experimental, do Instituto de Física da USP. O Prof. Oliveira foi o responsável pelo planejamento dos experimentos de SAXS que foram realizados no equipamento de Laboratório, NANOSTAR^TM, presente no IFUSP; analise e modelagem avançada dos dados de espalhamento. Através desta modelagem, combinando o ajuste dos dados de SAXS, estruturas atômicas de alta resolução disponíveis para as proteínas CA e CB e informações provenientes de fluorescência, foi possível obter um modelo estrutural para a estrutura do complexo em solução. Com base nesta estrutura, importantes conclusões sobre o mecanismo de ação da proteína puderam ser obtidas. 

As informações detalhadas das estruturas terciárias e quaternárias da CTX são essenciais para a compreensão dos efeitos imuno-modulatório, anti-inflamatório e analgésicos da CTX. Além disso, esse complexo proteico possui ações anti-tumorais bem como pode inibir o crescimento de tumores, toxicidade contra células tumorais e indução de apoptose e informações estruturais que são muito importantes para o design de novos agentes terapêuticos.

Contato :

Departamento de Física Experimental do Instituto de Física da USP

Prof. Cristiano Luis Pinto de Oliveira

E-mail:  crislpo@if.usp.br

Telefone: (011) 3091-7164  

Referencia: 

Fernandes, C. A. H.; Pazin, W. M.; Dreyer, T. R.; Bicev, R. N.; Cavalcante, W. L. G.; Fortes-Dias, C. L.; Ito, A. S.; Oliveira, C. L. P.; Fernandez, R. M.; Fontes, M. R. M., Biophysical studies suggest a new structural arrangement of crotoxin and provide insights into its toxic mechanism. Scientific Reports 2017, 7, 43885.

Da Assessoria de Comunicação do Instituto de Física da USP:

Vicious circle of drought and forest loss in the Amazon

Revista NATURE – Communications

Pesquisa publicada on line em 13 de março de 2017.

http://www.nature.com/articles/ncomms14681

As árvores da floresta Amazônica podem morrer devido a falta de chuvas. Quando isso ocorre, há uma redução da transpiração das plantas, o que leva a diminuição da umidade relative do ar, e finalmente ocorre uma redução maior das chuvas. Efeitos “auto-amplificados” como este podem ter um efeito domino, causando secas ainda mais intensas, e forçando uma mudança do tipo de vegetação dominante: de floresta tropical úmida para cerrado, em um processo conhecido como savanização. Mudanças de uso do solo, como o desmatamento, as queimadas e a exploração madeireira, juntamente com as mudanças climáticas  aceleram este processo de uma maneira não linear, tornando-o difícil de prever.  

Uma equipe de pesquisadores do Brasil e de vários países concluiu que, se as estações secas se intensificarem com a mudança climática causada pelo homem, o risco de perda de floresta auto-amplificada pode aumentar ainda mais. Para detectar esse comportamento não-linear, os pesquisadores construíram uma rede complexa para representar os fluxos de água na atmosfera. Esta metodologia, usada por físicos para estudar sistemas dinâmicos, permitiu analisar o problema de um ângulo diferente.

"A floresta amazônica é um dos pontos críticos no sistema terrestre", diz Delphine Clara Zemp, autora principal da pesquisa. Ela é pesquisadora do Instituto Potsdam para Pesquisa de Impacto Climático e da Georg-August-Universität Göttingen, na Alemanha. "Já sabemos que, por um lado, a redução das chuvas aumenta o risco de extinção florestal e, por outro lado, a perda florestal pode intensificar as secas regionais. Assim, mais secas podem levar a menos floresta levando a mais secas e assim por diante. No entanto, as consequências desse feedback entre as plantas no solo e a atmosfera acima delas até agora não estavam claras. Nosso estudo fornece uma nova visão sobre esta questão, destacando o risco de auto-amplificação. No entanto, se houver uma grande variedade de espécies de árvores em uma área reflorestada, de acordo com o estudo, isso pode aumentar significativamente a chance de sobrevivência.

As enormes florestas tropicais produzem impressionantemente grande parte da água de que necessitam, evaporando a umidade que, em seguida, volta na forma de chuvas. "O ciclo da água amazônica é naturalmente pura física e biologia, mas também é uma das grandes maravilhas da natureza", diz o co-autor da pesquisa, Prof. Henrique M.J. Barbosa, docente do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. "Apesar de muito poderoso, o ciclo hidrológico também é muito suscetível às mudanças ambientais – e a humanidade está impondo perturbações maciças na Amazônia, cortando as árvores e aquecendo o ar com gases de efeito estufa, o que reduz o transporte de umidade em grande escala e a precipitação, e que acabam afetando até mesmo partes da floresta que não foram pertubadas diretamente."

Mesmo que a precipitação média seja estável, períodos prolongados de seca aumentam o risco de que a maior parte da floresta amazônica possa ser substituída por outro tipo de vegetação, mais adaptado a maior temperatura e menor precipitação, como o Cerrado, processo conhecido por savanização.

"Hoje, a estação úmida está ficando mais úmida e a estação seca mais seca no sul e leste da Amazônia, devido à variação da temperatura da superfície do mar que influencia o transporte de umidade entre os trópicos", diz Anja Rammig pesquisadora da Technische Universität München (TUM) e PIK. "Não está claro se isso vai continuar, mas as recentes projeções indicam que possa haver uma seca generalizada na região".

Mesmo se a precipitação média não mudar drasticamente, os prolongados eventos de seca poderão causar a perda de floresta auto-amplificadora, eventualmente transformando-a em um savana. "As mudanças projetadas da precipitação para o fim do século XXI não conduzirão ao fim absoluto da Amazônia", diz o também co-autor da pesquisa, Carl Schleussner do thinktank Berlin Climate Analytics e PIK. "Mas nossas descobertas sugerem que grandes partes estarão certamente em alto risco."

Curiosamente, quanto mais diversa a vegetação amazônica é, menos vulnerável parece ser. A diversidade tem o potencial de diminuir os efeitos da perda de floresta auto-amplificada. "Uma vez que cada espécie tem uma maneira diferente de reagir ao estresse, ter uma grande variedade deles pode ser um meio para a resiliência do ecossistema", diz Marina Hirota, uma das autoras da pesquisa e docente da Universidade Federal de Santa Catarina.

O artigo está em anexo e também pode ser acessado on line em:

http://www.nature.com/articles/ncomms14681

Contato:

Prof. Henrique M.J. Barbosa - Skype: hmjbarbosa

http://www.fap.if.usp.br/~hbarbosa

E-mail: hbarbosa@if.usp.br

DESVENDANDO A FÍSICA DO CORPO HUMANO

BIOMECÂNICA

Autores:

Profª. Drª. Emico Okuno (IFUSP)

Luciano Fratin (Fundação Armando Álvares Penteado)

Lançamento da 2ª edição do livro e conversa com os autores

Quinta-feira, dia 16 de março, das 18 às 20h.
Local: Livraria da Vila - Moema
Endereço: Av. Moema, 493 - Informações: (11) 4196-6000

Breve resumo do livro:

Desvendando a Física do corpo humano - Biomecânica mostra ao leitor como realizar uma abordagem qualitativa e quantitativa dos conceitos físicos envolvidos na biomecânica. O leitor vislumbra também como as leis da mecânica podem servir para entender as condições de equilíbrio estático e de equilíbrio dinâmico de uma das maravilhas da natureza; o corpo humano.

A linguagem matemática utilizada na Física sempre foi responsabilizada pela dificuldade que os estudantes encontram em seus estudos. Por isso, neste livro, todo conceito apresentado é seguido de exemplos explicativos e na sequência são propostos exercícios de aplicação e fixação.

Contato:

Emico Okuno
Laboratório de Dosimetria das Radiações e Física Médica - Bloco F sala 110
Departamento de Física Nuclear, Instituto de Física, USP
Rua do Matão, 187 - Travessa R
CEP 05508-090 Butantã
S. Paulo, Brasil
tel: 55 11 30916994

E-mail: eokuno@if.usp.br