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O laboratório e o dia-a-dia – Parte II: O que um cientista faz com aquilo que ainda não conseguiu explicar?

Na parte 1 do artigo, conversamos um pouco sobre variáveis dependentes e independentes, falseabilidade e sobre alguns dos objetos de estudo da ciência, e sobre como evitar uso de explicações não consistentes ou não verificáveis dentro do aparato teórico que já temos, evitando extrapolações de afirmações sobre as causas dos fenômenos que estamos estudando. 

Em resumo, queremos evitar misturar afirmações que são verificáveis na prática com conceitos abertos e subjetivos que não temos como verificar, já que esta mistura pode tanto atribuir uma falsa credibilidade científica a pensamentos que estão fora do escopo da ciência (como a existência do sobrenatural) quanto limitar a investigação de um fenômeno complexo através do uso de hipóteses que buscam unicamente cobrir buracos que a teoria ainda não explicou, o que chamamos de hipóteses ad hoc.

Não é só fora do léxico científico que acontecem falhas lógicas para explicar fenômenos. É muito comum, especialmente em manchetes de revistas não especializadas que falam sobre a área de saúde, que se divulguem pesquisas que relacionam, por exemplo, determinados hábitos a doenças. Muitas destas relações possuem de fato fundamentação e uma teoria coerente que as suporta, mas muitas vezes o fenômeno ainda não foi completamente desvendado, ou mesmo está sendo estudado através da observação de padrões que não necessariamente possuem relevância estatística ou relação de causa-consequência, como já foi ilustrado neste artigo.

Muitas vezes também, a chamada da revista que menciona a pesquisa faz um recorte muito reduzido do que a pesquisa realizou de fato, ou menciona números de casos de determinada doença sem mencionar a proporção na população. Daí a importância de não se ater aos títulos e de procurar outras fontes antes de, por exemplo, começar aquela nova dieta que vai te ajudar a evitar rugas, emagrecer e prevenir o câncer.

Alguns fenômenos são bastante complexos e envolvem situações impossíveis de serem reproduzidas em laboratório, até porque nem todas as variáveis são conhecidas. Alguns envolvem uma complexidade que é controlável mas cujas relações estabelecidas não são necessariamente diretas.

Suponha que eu queira, por exemplo, estudar a relação entre o tamanho de uma sala onde uma festa está acontecendo e a probabilidade de alguém quebrar um copo de cerveja. Talvez a chance de algum premiado espatifar um copo esteja relacionada com outros fatores, como a faixa etária dos convidados, a proporção entre homens e mulheres e até mesmo os tipos de cerveja que estão sendo servidas. Mas se queremos descobrir se pode existir um modelo que relacione apenas a probabilidade com a área livre da sala, ignorando todas as demais variáveis (conhecidas e desconhecidas), estamos analisando a probabilidade como variável dependente e a área livre da sala como única variável independente.

Qual a relação entre o tamanho da sala e a chance de alguém quebrar um dos copos? Crédito: Daniel Valverde/pixabay.

Pode ser que, após estudar muitas festas e muitas salas, eu chegue a um padrão que pareça relacionar de forma consistente as duas variáveis. Tudo deve passar por testes estatísticos criteriosos e, mesmo que a relação passe por todos estes testes, dificilmente teremos uma explicação de fato para as causas da relação entre quebra de copos e o tamanho da sala. Além disso, pode haver ligação entre vários fatores que foram ignorados (por exemplo, o tamanho da sala pode interferir a quantidade de pessoas que serão convidadas para a festa, que vai interferir no número de copos que serão quebrados, ou ainda pode ser que os dados que foram disponibilizados não tenham levado em conta a faixa etária e o poder aquisitivo dos anfitriões, ou mesmo se foram utilizados copos de plástico no lugar de copos de vidro). 

Para que se desenvolva de fato um estudo, tese ou teoria sobre como o tamanho da sala influencia na quantidade de copos quebrados, não basta achar correlações entre números.  O papel do cientista aqui é apresentar um olhar crítico sobre a relação encontrada e, se for o caso, propor abordagens do problema que tenham embasamento teórico a partir do trabalho já realizado por outros cientistas, levando em consideração todas as variáveis conhecidas e propondo, quando for o caso, a influência de variáveis que não foram levadas em conta, que poderão ser então verificados por outros cientistas.

Enquanto não houver nenhum resultado baseado em evidências e verificável por outros cientistas, ainda não se está fazendo ciência. Ou seja, se eu encontrar uma relação mágica entre os tamanhos das salas e o número de copos quebrados na festa, esta relação só passa a ser cientifica se ela puder ser posta à prova por outras pessoas em condições rigorosas e reprodutíveis. Isto não quer dizer que teorias científicas constituem a verdade absoluta, ou que elas proporcionem respostas sobre todas as causas dos fenômenos estudados, mas sim que aquele é o ponto máximo a que se pôde chegar, neste momento, a conclusões com o máximo de rigor possível utilizando-se o pensamento racional.

Trata-se de um trabalho cumulativo, lento, colaborativo e que exige tempo e muita verificação e senso crítico para se consolidar e gerar aplicações para a sociedade e para outras áreas da ciência.

 

 

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Você considera sua microbiota parte de você?

“Você é o que você come” é uma frase normalmente utilizada quando nos referimos aos tipos de alimentos que ingerimos e que vão fazer parte do nosso corpo. Seja na forma de energia, a partir de carboidratos, ou para formação das proteínas, extremamente importantes para nosso corpo. Microrganismos também podem fazer parte da nossa dieta e são muito recomendados em uma dieta saudável! Estes microrganismos frequentemente já fazem parte do nosso corpo. Eles compõem a microbiota gastrointestinal e são responsáveis pelo processamento de muitos alimentos que consumimos e, assim, contribuem para absorção dos nutrientes que precisamos. Um exemplo clássico são os lactobacilos (vivos!) presentes nos leites fermentados e iogurtes.

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Lactobacilos. Wikimedia Commons, Creative Commons, 2018.

Lactobacilos são bactérias do gênero Lactobacillus, que fazem parte da nossa microbiota intestinal e nos protegem contra a ação de patógenos, além de criar um ambiente propício para que outros microrganismos benéficos se estabeleçam no nosso organismo.

Sem estes microrganismos, nosso corpo não consegue absorver a energia necessária para seu funcionamento e desenvolve doenças metabólicas como obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares (mais sobre a importância da microbiota e sua relação com o corpo aqui e aqui). Da mesma forma, se nosso fígado está desregulado, nós não conseguimos metabolizar e armazenar nutrientes que foram processados e absorvidos no estômago e no intestino, além de prejudicar outras diversas funções que esse órgão executa. Dessa forma, os microrganismos que formam nossa microbiota podem ser comparados aos vários órgãos que formam o nosso corpo, pois estes são essenciais para o seu funcionamento. Assim, será que podemos dizer que eles fazem parte de nós?

Uma das discussões quentes na filosofia da biologia hoje é o problema da delimitação do indivíduo biológico. De maneira geral, essa discussão tenta determinar o que pode ser considerado uma unidade coesa, funcional e bem delimitada no mundo biológico, como um organismo. O problema parece trivial, porque convivemos com vários indivíduos fáceis de identificar, como um cachorro, um pássaro ou um cacto. Você reconhece com facilidade os limites destes organismos. No entanto, alguns indivíduos podem ser menos simples de determinar. Um exemplo são os corais. Corais são formados por animais chamados cnidários, o mesmo filo das águas vivas e anêmonas do mar. Estes animais vivem em colônias e secretam um exoesqueleto de calcário que forma os lindos recifes de corais que conhecemos, um dos ecossistemas mais ricos do planeta.

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Recifes de corais. Fonte: Jan-Mallander/Pixabay, Domínio Público, 2014.

Os corais frequentemente se associam com outros animais, as chamadas zooxantelas, que são dinoflagelados endossimbiontes do gênero Symbiodinium, um grupo diverso de microalgas. Bem resumidamente, os corais se beneficiam dos produtos da fotossíntese fornecidos pelas zooxantelas além da conservação e reciclagem de nutrientes que contribuem para o aumento das taxas de calcificação do coral. As zooxantelas, por sua vez, ficam protegidas de predadores, tem fácil acesso a luz e ainda adquirem compostos essenciais para seu metabolismo fotossintético. Sem as zooxantelas, os corais enfraquecem e morrem, um fenômeno descrito como branqueamento de corais, um dos grandes problemas para a vida marinha hoje (leia sobre outros aqui).

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Zooxantelas do gênero Symbiodinium. Fonte: Wikimedia Commons, Creative Commons, 2015.

A partir dessa relação de dependência, alguns autores têm usado esse exemplo como chave para explicitar o problema da determinação do indivíduo na biologia. Mas beleza, como isso se aplica aos nossos microrganismos? Vocês lembram que falei que eles são essenciais para o nosso corpo assim como nós somos importantíssimos para eles? Então! O problema parece se aplicar a gente também!

Como resolução desse problema, alguns pesquisadores têm proposto que o sistema imune deve ser considerado juiz no que concerne às barreiras dos indivíduos (ex: Pradeu, 2010; 2016). Este sistema trabalha para defender o corpo contra organismos indesejados como patógenos, mas também incorpora organismos que são essenciais para nossa sobrevivência. Dessa forma, é aquele que julga quem é rejeitado e quem é incorporado. Além disso, o sistema imune é o único no nosso corpo realmente sistêmico, ou seja, aquele que pode influenciar todo o organismo. Assim, ele teria o poder de determinar os limites do indivíduo como uma unidade funcional que se mantém no tempo apesar de mudanças no ambiente.

De acordo com esta proposta, nós fazemos parte de um indivíduo que não inclui apenas nosso corpo, mas toda a microbiota essencial para a nossa sobrevivência (!!!). Somos então um mega ecossistema complexo que trabalha de maneira funcional e coesa com limites bem estabelecidos pelo nosso sistema imune. Uma vantagem dessa proposta é que ela não se aplica apenas a gente, todos os seres vivos possuem um sistema imune, cada um de forma diferente, mas que têm esta mesma função.

E apesar de parecer trivial a discussão sobre quem seria o indivíduo como unidade funcional, ela foi impulsionada principalmente pela pesquisa de transplantes de tecidos e órgãos. Acontece que, para comparar a compatibilidade e entender o sucesso ou falha de um transplante entre duas pessoas, não deveríamos apenas investigar o seu corpo ou seu material genético, mas entendê-lo como um indivíduo composto por vários organismos.

É isso, cuidem bem de vocês, cuidem bem do seu ecossistema

 

Referências:

Kikuchi, R. K. P., Leão, Z. M. A. N., Oliveira, M. D., Dutra, L. X., & Cruz, I. C. (2004). Branqueamento de corais nos recifes da Bahia associado aos efeitos do El Niño 2003. Cong. Planejamento e Gestão das Zonas Costeiras dos Países de Expressão Portuguesa, 2, 213.

Pradeu, T. (2010). What is An Organism? An Immunological Answer. History and Philosophy of the Life Sciences, 32(2/3), 247-267. http://www.jstor.org/stable/23335074

Pradeu, T. (2016). Organisms or biological individuals? Combining physiological and evolutionary individuality. Biology & Philosophy, 31(6), 797-817. https://doi.org/10.1007/s10539-016-9551-1

NIH Human Microbiome Project (Projeto Microbioma Humano): https://hmpdacc.org/

 

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Uma aranha que “amamenta” e a percepção dos avanços científicos pela população.

O texto de hoje é sobre uma descoberta científica e a importância da pesquisa básica. Esse tópico surgiu por conta de uma reportagem a respeito da dita descoberta que eu falo a seguir e os comentários de alguns leitores.

A descoberta

Um time de pesquisadores do Jardim Botânico de Xishuangbanna, Universidade de Hubey e Instituto de Zoologia Kunming, todos na China, descobriu que uma espécie de aranha saltadora, Toxeus magnus (Figura 1), “amamenta” seus filhotes e mostra um cuidado parental por mais tempo que o usual para esse tipo de animal. E sim, é isso mesmo que você pensou: essas duas características juntas são basicamente o que definem os mamíferos. Pensa na surpresa dos cientistas quando descobriram uma aranha com esses comportamentos.

Zhanqi Chen et al.

Figura 1: Aranha Toxeus magnus com os filhotes “mamando”. Zhenqi Chen et al.

A pesquisa não começou com a hipótese da amamentação. Na verdade a primeira coisa que o grupo notou foi que os filhotes dessa espécie de aranha passavam um tempo consideravelmente longo no ninho comparado com outras espécies de aranhas saltadoras. Isso fez os cientistas levantarem a hipótese de que os pais ofereciam cuidado parental e alimentação à prole, mas como? Os cientistas notaram que a aranha mãe não levava alimentos para dentro do ninho, então eles formularam três hipóteses de como a aranha estaria alimentando seus filhotes:

1-    Ela poderia estar alimentando os filhotes através de regurgitação;

2-    Os filhotes poderiam estar ingerindo ovos não fecundados, comportamento que já foi visto em outros invertebrados;

3-    Ou ainda poderia estar acontecendo alimentação fecal.

Depois de alguns testes e observações vieram mais surpresas: nenhuma dessas hipóteses estava correta!

Numa noite, em seu laboratório, um dos autores do estudo, Chen, notou que um filhote estava atrelado à mãe, como um mamífero que é amamentado. Esse deve ter sido aquele momento que o cientista disse: Eureka! (mentira, cientistas nem fazem isso, haha). Voltando a seriedade, segundo Chen, esse foi o momento que ele decidiu testar outra hipótese: a de que a aranha mãe estaria “amamentando” seus filhotes.

Eles fizeram uma porção de testes para avaliar o conteúdo do “leite” e descobriram que era composto de proteínas, carboidratos e açúcares. Uma observação é que a quantidade de proteína do “leite” de aranha é 4 vezes superior à quantidade de proteína do leite de vaca. Logo que as aranhas nascem (entre 2 e 36 em cada postura), elas ingerem gotículas de “leite” que a aranha mãe deixa em torno do ninho, mas logo que esse “leite” acaba, elas começam a sugar diretamente do canal do nascimento da mãe. Elas continuam se alimentando exclusivamente desse “leite” até atingirem a maturidade sexual e deixarem o ninho.

Chen e o grupo responsável pela pesquisa falam que essa é uma descoberta importante no ramo evolutivo, pois mostra que o cuidado parental evoluiu mesmo em organismos considerados menos complexos. Eles ressaltam que a evolução desse comportamento é um indicativo de situações extremas que pedem soluções extremas para a sobrevivência da prole, já que a mãe é bastante exigida (quem é mãe sabe do que eu estou falando). Além disso, a composição desse fluido, antes desconhecido da ciência, pode revelar algumas surpresas.

Ok, mas porque eu queria mostrar a importância da pesquisa básica nesse texto?

Bom, então vamos a segunda parte: Porque essa descoberta é importante?

Primeiramente eu tive a ideia de falar sobre isso após ler os comentários de uma reportagem sobre essa pesquisa publicada no Facebook. Alguns comentários falavam sobre a surpresa da pesquisa, mas outros diziam que pesquisadores estavam perdendo tempo pesquisando essas “coisas inúteis” ao invés de pesquisar a cura do câncer por exemplo. A foto abaixo é um exemplo do conteúdo dos comentários:

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Figura 2: Exemplo de comentário na publicação da reportagem sobre a descoberta do comportamento da aranha.

Como uma pessoa que passou a vida acadêmica toda fazendo pesquisa básica, esse tipo de comentário me afeta bastante. Quando as pessoas me perguntavam por que, ao invés de estudar evolução molecular de primatas, eu não ia estudar algo que fosse útil eu ficava sem saber o que responder e falava apenas que eu estudava evolução de primatas porque eu gostava. Hoje eu tenho uma visão maior da pesquisa básica e sua importância e penso que o fato de ter muitas pessoas que não entendem isso é consequência de uma falha nossa como cientistas e comunicadores. Cientistas precisam aprender a se comunicar com a comunidade leiga de maneira que todos entendam o porquê é necessário tanto pesquisa aplicada, quanto pesquisa básica. A pesquisa básica é a fundação de conhecimento para que a pesquisa aplicada possa existir. Por exemplo, Carl Sagan, em seu livro “O mundo assombrado pelos demônios”, no capítulo em que fala sobre as contribuições do matemático e físico James Clerk Maxwell, aproveita para explicar porque a ciência básica e a curiosidade do cientista são tão importantes:

Como a imagem do cientista louco à qual está intimamente associado, o estereótipo do cientista nerd está disseminado em nossa sociedade. O que há de errado com um pouco de zombaria bem-humorada à custa dos cientistas? Se, por qualquer razão, as pessoas não gostam do cientista estereotipado, é menos provável que dêem apoio à ciência. Por que subsidiar pequenos projetos absurdos e incompreensíveis propostos por malucos? Bem, sabemos a resposta para essa pergunta: a ciência recebe apoio financeiro porque gera benefícios espetaculares em todos os níveis da sociedade, como já afirmei neste livro. Por isso, aqueles que acham os nerds desagradáveis, mas ao mesmo tempo desejam os produtos da ciência, enfrentam uma espécie de dilema. Uma solução tentadora é dirigir as atividades dos cientistas. É só não lhes dar dinheiro para saírem a pesquisar por caminhos estranhos; em vez disso, é preciso dizer-lhes do que precisamos – esta invenção ou aquele processo. Não é o caso de subsidiar a curiosidade dos nerds, mas aquilo que trará benefícios à sociedade. Parece bastante simples. O problema é que dar ordens a alguém para criar uma invenção específica, ainda que o preço não constitua obstáculo, não garante que ela seja realizada. Pode haver uma base de conhecimento ainda ignorada, sem a qual ninguém conseguirá construir o invento que se tem em mente. E a história da ciência mostra que tampouco se pode procurar esses conhecimentos básicos de modo dirigido. Eles podem surgir das cogitações ociosas de um jovem solitário em algum lugar isolado. São ignorados ou rejeitados mesmo por outros cientistas, às vezes até que surja uma nova geração destes. Exigir grandes invenções práticas e, ao mesmo tempo, desencorajar a pesquisa movida pela curiosidade seria espetacularmente contraproducente.

Ele continua, durante o capítulo, dando exemplos práticos de como invenções incríveis não teriam saído do papel (e nem da cabeça de ninguém) caso não houvesse conhecimento prévio de base. Agora volte um pouco para o início do texto. Pode parecer que a pesquisa sobre o comportamento da aranha não acrescenta em nada na sua vida, mas e se daqui a pouco o “leite” produzido pela aranha carrega uma substância capaz de ser utilizada como um potente antibiótico? Ou ele pode ter alguma molécula capaz de inativar uma célula cancerígena. Ou ainda o cuidado parental que a aranha demonstra pode instigar a curiosidade de outros cientistas que também pesquisam insetos e vamos acabar por descobrir que esse é um comportamento mais comum do que se imagina, acabando com a noção de que somente animais mais complexos o demonstram. Eu poderia ficar aqui citando diversos “e se…?”, mas acho que você já entendeu o meu ponto: Não há avanços científicos sem pesquisa de base.

Mais um adendo

Quando eu estava no processo de escrita desse texto, me deparei com outro ótimo exemplo de pesquisa básica que gera conhecimento para uma futura pesquisa aplicada: Um grupo de pesquisadores do John Innes Centre, na Inglaterra, publicou um estudo no mês de dezembro, na revista Nature sobre como o catnip (Nepeta catariaaquela plantinha que deixa os gatos malucos) produz a substância psicoativa. Você vai se perguntar, eu sei, porque a Nature, essa revista de tamanho prestígio científico, publicou uma pesquisa sobre a substância que deixa os gatos drogados?

Bom, não foi à toa. Um dos conhecimentos extraídos desta pesquisa vai ser utilizado para entender melhor como outra molécula utilizada como quimioterápico (semelhante à substância psicoativa do catnip) é produzida pelas plantas. Talvez com esse conhecimento em mãos seja possível fabricar o quimioterápico sinteticamente, podendo diminuir seu custo.

Referências:

Zhanqi Chen, et al. Prolonged milk provisioning in a jumping spider. Science (2018), 362 (6418): 1052 – 1055.

A curiosa aranha que amamenta seus filhotes. BBC News Brasil (2018).

Carl Sagan. O mundo assombrado pelos demônios. Random house (1995).

Benjamin L. Lichman, et al. Uncoupled activation and cyclization in catmint reductive terpenoid biosynthesis. Nature Chemical Biology (2018), 15: 71 – 79.

How catnip makes the chemical that causes cats to go crazy. ScienceDaily. ScienceDaily, 11 December 2018.

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Identificada nova bactéria intestinal e sua possível relação com a depressão

bacteria intestinalImagem: https://www.rheumatologyadvisor.com/home/topics/scleroderma/little-data-available-for-small-intestinal-bacterial-overgrowth-treatment-in-systemic-sclerosis/

Não é de hoje que as bactérias intestinais vêm revirando as informações no mundo da ciência e por consequência causando grande impacto em nossas vidas. Em outros posts aqui do blog falamos sobre a relação da microbiota com antibióticos, parasitas intestinais, cérebro, obesidade, fadiga crônica e até mesmo sobre depressão.  

No post passado sobre a depressão, relembramos que 95% da serotonina, um neurotransmissor responsável pelo bem-estar, é produzido no intestino e sua relação com a microbiota. O que é novidade é que uma pesquisa publicada na revista Nature Microbiology conseguiu isolar e identificar uma espécie de bactéria intestinal e relacioná-la com depressão.

A ideia do projeto começou com uma lista de potenciais alvos bacterianos que o NIH (National Institutes of Health – USA) publicou sugerindo que fossem isoladas do intestino humano por sua potencial importância no desenvolvimento de doenças.  

Muitas espécies de microorganismos da microbiota intestinal permanecem desconhecidas por existirem em baixa quantidade ou por sua incapacidade de sobreviver fora do corpo humano.

A bactéria KLE1738 está nesta lista por ter sido identificada em quase 20% do microbioma intestinal humano nos bancos de dados de sequenciamento microbiano, porém nunca havia sido cultivada.

O cultivo de espécies de bactérias e fungos fora do corpo humano é muito difícil, pois em laboratório não conseguimos reproduzir as mesmas condições ambientais para promover seu crescimento, porém após um extenso processo de triagem, os pesquisadores descobriram que o KLE1738 só crescia em condições laboratoriais na presença de Bacteroides fragilis, uma bactéria intestinal comum no microbioma humano.

Somente este dado nos mostra um novo parâmetro a ser pensado, que muitos microorganismos possuem seu papel biológico desconhecido porque não conseguimos mimetizar em laboratório as influências que outras bactérias vizinhas exercem para promover o crescimento ou redução de espécies que identificamos no microbioma humano.

Outros testes biológicos e purificações levaram ao isolamento de GABA (Ácido gama-aminobutírico) como um fator de crescimento produzido pela bactéria Bacteroides fragilis. Descobriram que o GABA produzido serviu como nutriente para o crescimento da KLE1738.

A capacidade da microbiota de produzir e/ou consumir GABA não havia sido amplamente descrita antes, e uma bactéria dependente do GABA nunca havia sido relatada.

Mas afinal o que é o GABA?

sinapseImagem:https://psicoativo.com/2017/01/sinapses-partes-funcoes-e-tipos-de-sinapses.html

O GABA é um neurotransmissor que atua inibindo o sistema nervoso central (SNC) e está diretamente relacionada com comportamento agressivo e impulsividade. Este neurotransmissor inibe ou reduz impulsos nervosos nos neurônios, levando o indivíduo a um estado de menor agitação cerebral, ou seja, a um estado de relaxamento tanto mental quanto muscular. Quando seus níveis estão baixos, estamos muito mais suscetíveis a ansiedade, angústia e estresse.

Logo, se as bactérias intestinais produzem esse neurotransmissor, um desequilíbrio na microbiota pode levar a baixa produção de GABA.

Pensando no papel do GABA e seus efeitos no SNC, os cientistas testaram a possível conexão entre Bacteroides sp. e depressão. Para isso, coletaram amostras de fezes e mediram a atividade cerebral por ressonância magnética de 23 indivíduos clinicamente diagnosticados com depressão. Os resultados mostraram que a baixa abundância de Bacteroides sp. estava associada à alta atividade de uma parte do cérebro que está ligada a depressão.

O próximo passo será fazer mais testes com humanos para explorar se o GABA microbiano pode atuar como um sinal do intestino para o cérebro.

Saiba mais sobre microbiota e cérebro nesse post: https://cientistasfeministas.wordpress.com/2018/06/06/cerebro-e-intestino-parceria-inseparavel/

Referência

Philip Strandwitz et al, GABA-modulating bacteria of the human gut microbiota, Nature Microbiology (2018). DOI: 10.1038/s41564-018-0307-3

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Usando o cérebro para entender o próprio cérebro: um novo tipo de modelo teórico para descrever nossa atividade cerebral

Em 1952 os pesquisadores Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley (foto na Fig. 1) desenvolveram um modelo matemático baseado em circuitos elétricos com capacitores e resistores para  descrever os sinais elétricos medidos em um experimento eletrofisiológico no neurônio da lula. O objetivo do estudo era encontrar uma equação matemática que descrevesse da melhor maneira possível o comportamento do potencial elétrico dentro da célula nervosa ao longo do tempo. Na Fig. 1 podemos comparar um gráfico com a curva do potencial em função do tempo medida experimentalmente em um neurônio real e a curva obtida através das equações propostas por Hodgkin e Huxley. A semelhança entre as curvas teóricas e experimental permitem que usemos o modelo de Hodgkin e Huxley como um bom modelo para descrever o neurônio e garantiu que em 1963 eles recebessem o prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina por este trabalho.

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Figura 1: Esquerda: Os pesquisadores Hodgkin e Huxley medindo a atividade elétrica de neurônios no laboratório (imagem modificada deste site). Direita no topo: potencial de membrana da célula nervosa em função do tempo obtido através do experimento e abaixo curva similar obtida com o modelo teórico proposto por eles.

Diversos modelos em física biológica foram desenvolvidos seguindo uma receita parecida. Temos algumas medidas experimentais, gráficos que representam como certas grandezas variam no tempo, e procuramos uma equação matemática que descreva bem aquela curva. Em especial tentamos comparar cada parâmetro da equação com algum componente do mundo real. E com isso, é possível fazer predições teóricas que possam ser testadas experimentalmente. Por exemplo, na equação que descreve o modelo de Hodgkin e Huxley o potencial de membrana do neurônio depende de um somatório de correntes iônicas de sódio e potássio que atravessam a membrana celular. Então, podemos usar o modelo para fazer uma predição. Por exemplo, o que acontece se bloquearmos a entrada de sódio na célula? Se anularmos o termo da corrente de sódio na equação do modelo obteremos uma nova curva do potencial em função do tempo. Se agora refizermos o experimento, bloqueando a corrente sódio através do neurônio, podemos comparar se a curva experimental ainda se parece com a curva teórica. Em caso afirmativo, nosso modelo continua sendo considerado um bom modelo mesmo nessa nova condição (sem sódio) e podemos seguir fazendo novas previsões.
Desde os anos 50, diversos modelos biológicos foram desenvolvidos para descrever a atividade elétrica de neurônios de diversos tipos, sinapses, grupos de  neurônios, regiões corticais, tálamo, hipocampo, etc. Em particular, um tipo de modelo chamado neural mass (massa neural em tradução livre) usa poucas equações diferenciais para descrever a atividade oscilatória de regiões corticais formada por milhares de neurônios. Conectando várias dessas regiões é possível representar a atividade elétrica do cérebro como um todo. Na Fig. 2 podemos ver um exemplo de cérebro em que cada região está sendo representada por um nó da rede e está conectada a várias outras regiões.

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Figura 2: Representação do cérebro como uma rede complexa. Cada bolinha representa umaregiao e os links as conexões sinápticas entre estas regiões. Modificada das referências [1] e [2].

Recentemente, um estudo liderado pela pesquisadora alemã Petra Ritter* [1] deu um passo importante no desenvolvimento de um modelo matemático que busca descrever a atividade  cerebral como um todo. A grande novidade deste trabalho foi a inclusão de medidas experimentais como parte do modelo teórico (ver Fig. 3A). Pessoas saudáveis que se voluntariaram para participar nas pesquisas tiveram a atividade do seu cérebro gravada simultaneamente através de dois métodos bastante utilizado em neurociência: eletroencefalograma (EEG) e ressonância magnética funcional (fMRI). As curvas azuis e pretas na Fig. 3B mostram o sinal obtido com EEG (filtrado para uma certa componente de frequência) e com fMRI. Assim como no exemplo do neurônio, em que queríamos um modelo que reproduzisse a curva do potencial elétrico no tempo (ver Fig. 1), aqui queremos um modelo que reproduza a curva experimental preta. E de fato, o grupo mostrou que incluindo o dados de EEG como um dos termos do modelo chamado neural mass eles conseguem obter a curva vermelha: bastante similar a curva preta! Na Fig. 3C podemos ver que outros modelos (que não levam em conta o EEG) não reproduzem tão bem a curva experimental.

Esta nova abordagem abre inúmeras possibilidades para combinar dados experimentais com modelos teóricos na busca de entender melhor a atividade cerebral. No futuro, este tipo de modelo híbrido poderá ser útil, por exemplo, para predizer certas atividades que só poderiam ser medidas de maneira invasiva (através de cirurgias e implante de eletrodos intracranianos) utilizando apenas o EEG dos pacientes. Além disso, será possível fazer novas predições e testes sobre os mecanismos responsáveis por determinados tipos de atividades cerebrais. Com este método, também poderá ser possível caracterizar particularidades de cada indivíduo, o que pode vir a ser útil no tratamento de doenças em pacientes que são mais vulneráveis que a média.

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Figura 3: A) Sinal de EEG(esquerda) utilizado no modelo híbrido (centro) para predizer o sinal obtido com a ressonância magnética (direita). B) Série temporal com um exemplo do sinal de EEG (azul), sinal obtido com o fMRI (preto)  medido simultaneamente ao EEG e resultado obtido utilizando o modelos híbrido (vermelho) de neural mass e EEG. C) Comparando o fMRI experimental com o modelo híbrido e outros modelos.  Modificada da referência [1].

Referências

[1] Schirner, M., McIntosh, A. R., Jirsa, V., Deco, G., & Ritter, P. (2018). Inferring multi-scale neural mechanisms with brain network modelling. Elife, 7, e28927.

Nota da autora: essa revista (Elife) torna público o comentário dos revisores que recomendaram a publicação do artigo e a resposta dos autores. Vale a pena dar uma lida nos pontos levantados pelos especialistas da área e nas respostas dos autores!

[2] Deco, G., Kringelbach, M. L., Jirsa, V. K., & Ritter, P. (2017). The dynamics of resting fluctuations in the brain: metastability and its dynamical cortical core. Scientific reports, 7(1), 3095.

*Petra Ritter é médica, terminou o doutorado em 2004, é a pesquisadora chefe do grupo Berlin Neuroimaging Center e em 2007 recebeu o prêmio Unesco-L’Óreal para jovens cientistas e mães. Saiba mais sobre ela aqui ou aqui.

Para ler mais sobre o modelo de Hodgkin e Huxley, sobre EEG e fMRI é só clicar.

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Será que estamos de fato sozinhos? Parasitos e os efeitos da microbiota intestinal no corpo humano

O termo microbiota descreve um conjunto de microrganismos que habitam um determinado ecossistema, e a microbiota intestinal é composta por todos aqueles microrganismos que ocorrem no sistema gastrointestinal que coevoluíram com a espécie humana, sendo essencial para a sua saúde. A microbiota é adquirida através da mãe, durante o parto, amamentação, e também após este período durante a introdução a alimentos diversos.

A microbiota intestinal possui diversos papéis que determinam a fisiologia do hospedeiro. Por exemplo são responsáveis pela maturação do sistema imunológico, resposta intestinal a lesões no epitélio celular, e também pelo metabolismo energético. Múltiplos fatores afetam a sua diversidade, como o sexo, idade, fatores genéticos, dieta e histórico de infecções (quem diria que esses seres microscópicos teriam um papel tão importante?).

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Imagem retirada de CC0 Public Domain

Os mamíferos possuem um genoma extenso relacionado aos microrganismos que se localizam no intestino. O metabolismo da microbiota intestinal já foi diretamente  relacionado a patogêneses como obesidade, doenças circulatórias e          inflamações no sistema gastrointestinal. E quais são os principais microrganismos que habitam nossa flora intestinal? Existem 4 filos principais de bactérias no intestino dos mamíferos: Firmicutes; Bacteroidetes; Actinobacterias; Proteobacterias.

A microbiota extrai a energia necessária através da comida ingerida, acumulação de lipídios, e síntese de vitaminas, assim como outras atividades metabólicas. A desregulação destes processos pode resultar em doenças de nível metabólico, já que estes microrganismos têm a habilidade de quebrar componentes que não capazes de serem digeridos, aumentando a absorção de energia. Estas doenças, como obesidade, diabetes e doenças cardiovasculares são um problema de saúde pública, e o entendimento sobre a ligação entre estas doenças e a microbiota é absolutamente necessário. Porém, não são só os componentes de dieta, o sistema imunológico e genético que podem vir a alterar a microbiota intestinal. Diversos estudos têm demonstrado que parasitos podem alterar a microbiota do nicho em que eles habitam, levando a inflamação e alterações metabólicas.

 

Os vermes e a microbiota

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Necator americanus. Fonte: David Scharf / Science Source

 

Mais ou menos um quarto da população humana está infectada por helmintos (sabe a lombriga? Pois é, ela mesma e outras espécies também). Os parasitos de humanos mais comuns são os geohelmintos (que passam parte do ciclo de vida no solo), como a lombriga (Ascaris lumbricoides), Necator americanus, verme que causa a ancilostomíase, e Trichuris trichiura  que causa a tricuríase. Estes endoparasitos comumente residem no aparelho intestinal.

É sabido que os helmintos secretam (cruzes!) uma variedade de produtos que podem alterar o nicho ambiental que eles dividem com os outros microrganismos. A microbiota, em contrapartida, providencia uma barreira robusta contra a colonização destes parasitos. Outros estudos também mostram que a imunidade é induzida e regulada através da microbiota intestinal e células do sistema imune do epitélio intestinal (clique aqui e aqui para ver outros textos sobre o assunto no blog!) . Estes estudos mostram experimentalmente a capacidade de um parasito do camundongo, Trichuris muris, de alterar a colonização bacteriana e eventualmente proteger o intestino de camundongos de uma possível patologia causada por estas bactérias no intestino.

A infecção por helmintos pode afetar a microbiota, porém se estas alterações são benéficas ou não, aí depende dos fatores que estão relacionados a infecção: por exemplo a condição do hospedeiro e sua suscetibilidade, além da coinfecção com outros parasitos. Além disso, uma quantidade grande de vermes no intestino pode também alterar a suscetibilidade do hospedeiro a infecções secundárias.

Porém, estudos experimentais demonstraram que helmintos também podem impactar no metabolismo indiretamente, devido a alteração da microbiota por um longo período de tempo de infecção. Por exemplo, estudos epidemiológicos sugeriram que uma baixa diversidade bacteriana está diretamente relacionada à deposição de gordura e a inflamação à obesidade. A infecção por helmintos pode estar associada a diversidade bacteriana e, portanto, ter um efeito positivo e diminuir a obesidade.

Outras pesquisas conseguiram estabelecer um link entre aterosclerose, microbiota e helmintos. As bactérias comumente encontradas na cavidade oral têm sido encontradas nas placas ateroscleróticas e sua presença é relacionada a aumento da infiltração de leucócitos. Por sua vez, a infecção por helmintos tem uma correlação positiva com a proteção de doenças cardiovasculares, já que a ocorrência de helmintos pode diminuir os níveis de colesterol e a possibilidade de aterosclerose e consequentemente, doenças cardiovasculares. Os estudos mostram que a resposta do sistema imunológico também tem um papel importante assim como os antígenos secretados pelos helmintos.

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Créditos da imagem: http://saude.culturamix.com

Entretanto, ainda assim são necessários mais estudos já que outras pesquisas relacionadas a microbiota e obesidade em camundongos demonstraram que a dieta também tem um papel importante. Nestes estudos camundongos magros colonizados por uma microbiota de indivíduos obesos começaram a apresentar um aumento no tecido adiposo e na gordura total do corpo.  

As doenças metabólicas têm sido um problema de saúde pública, principalmente em países em desenvolvimento. Muitas variáveis afetam as interações e associações entre a microbiota, o hospedeiro e os parasitos. Ainda, nem todos os parasitos atuam da mesma forma, e pouco se sabe sobre as secreções e sua influência na microbiota. Investigações ainda estão em andamento relacionados a doenças metabólicas e suscetibilidade genética, status imunológico e dieta. Porém, não podemos descartar o entendimento sobre mudanças na microbiota causadas por parasitos.                     

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Créditos: facebook.com/ minhalombriga

 

Será que é tão ruim ter uma lombriguinha na barriga?

 

 

 

 

Referências:

  1. Bhattacharjee, S., Kalbfuss, N., & Prazeres da Costa, C. (2017). Parasites, microbiota and metabolic disease. Parasite immunology, 39(5), e12390.
  2. Kinross, J. M., Darzi, A. W., & Nicholson, J. K. (2011). Gut microbiome-host interactions in health and disease. Genome medicine, 3(3), 14.
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Somo todos carnívoros? Ou somos todos vegetarianos?

É cada vez mais constante em nossas vida a discussão do que devemos ou não comer. Sugestões de dietas estão por todas as partes, jornal, novela, Twitter, Reddit, na roda do cafezinho do trabalho. Contudo, a motivação que nos leva a essa curiosidade é diferente para cada grupo de pessoas; pode ser a busca por um estilo de vida saudável, pode ser consciência ambiental, solidarização com os animais, guerra contra a indústria alimentícia, moda, intenção de emagrecer ou mesmo a combinação destes e outros fatores.

Uma coisa bastante comum entre os discursos sobre dieta, é afirmar que a “sua” dieta é a correta porque é aquela para qual o nosso corpo é biologicamente preparado para lidar.

Mas o nosso corpo evoluiu para comer o quê?

 

 

woman carrying basket of fruits and vegetables

Foto por rawpixel.com em Pexels.com

A questão pode parecer simples inicialmente. Não possuímos características anatômicas de carnívoros – nossos dentes não são ótimos para rasgar a carne como de onças, nossos intestinos são muito longos; mas também não possuímos os dentes de herbívoros ou um intestino tão longo quanto o deles. Isso parece nos dizer que somos onívoros, que significa que comemos de tudo, seja conteúdo vegetal ou animal. Contudo, muitas vezes essas relações entre anatomia e dieta não são tão claras, por exemplo o panda: ele possui caninos que poderiam te levar a concluir que é um carnívoro, mas ele come exclusivamente bambu.

 

Como anatomicamente somos parecidos com outros macacos poderíamos olhar na dieta deles para termos uma ideia do que seria nossa dieta “natural”. E assim, poderíamos concluir que comemos frutas, folhas, nozes, insetos e ocasionalmente carne. Outra forma de acessar o que evoluímos para comer, seria olhar para as dietas das populações humana que não reproduzem o sistema social das populações contemporânea-ocidentais. E verificaríamos que em sua maioria, não possui carne como base da alimentação

Então, somo predominantemente vegetarianos?

 

Também não. Um recente estudo publicado na Nature (pelos biólogos Katherine Zink e Daniel Lieberman da Universidade de Harvard), traz mais evidências à velha teoria do órgão caro; dois órgãos que são energeticamente muito custosos são o intestino e o cérebro. Herbívoros precisam de longos intestinos – onde vivem bactérias, para conseguir digerir as complexas células vegetais. Como nossos antepassados tinham uma dieta com base em alimentos de origem vegetal, precisamos de um intestino longo (lembra que mencionei que é mais longo que de um carnívoro?), mas ser capaz de acessar essa fonte extra de energia e proteína fornecida pela carne permitiu que nosso cérebro evoluísse. Ao mesmo tempo que economizamos em não ter um intestino maior ainda, também alocamos energia para o cérebro. Isso foi cerca de 2,6 milhões de anos atrás.

Mas não poderíamos apenas comer mais frutas, verduras, raízes (poxa todo mundo sabe que batata tem muita energia!)? Matematicamente falando, sim. Bastaria comer mais das fontes vegetais, contudo precisaríamos de muito tempo comendo para conseguir o necessário para liberar energia usada na evolução do nosso cérebro. Ainda mais se nossos ancestrais estivessem se alimentando de alimentos crus (o processo de cocção, não apenas ajuda na mastigação fazendo com que você consiga comer mais em menos tempo, mas também na digestão dos nutrientes, contudo, apenas dominamos esses processo 500 mil anos atrás). De acordo com Katherine e Daniel, para que nossos antepassados conseguissem energia suficiente apenas de fontes vegetais eles teriam que mastigar até 15 milhões de vezes em um ano. Isso porque no experimento conduzido por eles, foi utilizado raízes que são mais calóricas que outros alimentos vegetais. (Uma mandioca é mais calórica que um alface ou uma maçã). No experimento eles alimentaram um grupo de voluntários com raízes e outro grupo com carne, e utilizando eletrodos mediram quantas vezes cada grupo precisava mastigar e quanta energia gastavam para ingerir a mesma quantidade calórica.

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Foto por Pixabay em Pexels.com

Nada disso, claro, significa que o consumo de carne aumentou tanto nos humanos contemporâneos. Clique aqui se você quiser acessar a média do consumo de carne por país. O paladar tem um papel fundamental aqui. Assim como o acesso a carne, mas isso já é assunto para uma próxima conversa.

 

Apenas gostaria de terminar dizendo, que não é porque a proteína da carne foi fundamental para a nossa evolução que nossa dieta não pode mudar. Como dito neste outro texto, não paramos de evoluir e há adaptações recentes a dietas como consumo de leite. Além disso, hoje o acesso a alimentos (infelizmente não para todos) é fácil, permitindo que você tenha acesso a outras recursos calóricos e ricos em proteína que não tenha origem animal, e claro, você também pode cozinhar.

 

Considerando nossa crise ambiental, discutir nossa dieta pensando na nossa saúde e na saúde do nosso planeta é uma questão urgente.

 

PARA LER MAIS:

 

Zink, K. D. & Lieberman, D. E. (2016). Impact of meat and lower Palaelithic food processing techniques on chewing in humans. Nature, 531, 500-503

https://www.nationalgeographic.com/foodfeatures/evolution-of-diet/

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