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Astronomia para Todas e Todos (Astronomia Inclusiva)

Esse texto pode até parecer um pouco fora do contexto atual mas é justamente pra isso. Em meio a uma época tão difícil eu precisava sentir uma esperança de futuros melhores.

Diante de situações complexas o ser humano consegue muitas vezes adaptar-se, vemos agora a nossa luta diária para enfrentar novos cenário do cotidiano mas o que pra nós é apenas uma sitação passageira, para muitos é o rotineito.

Algumas iniciativas têm ajudado pessoas que possuem alguma necessidade especial a aprender ciências e em especial a astronomia. Todos nos beneficiamos quando a astronomia e outras ciências são desconstruídas e reimaginadas sob uma luz diferente para criar atividades acessíveis a todos.

A astronomia é, para muitos, o primeiro amor por um universo chamado ciência. Respostas para perguntas como “de onde viemos?” e “para onde vamos?” são encontradas neste vasto campo. Se considerarmos este caminho realmente crucial para o desenvolvimento humano, devemos então nos perguntar: esse conteúdo é acessível para a todos, independente da idade, status socieconômico, capacidade mental ou física?

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Image credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

De acordo com o World Health Organização, cerca de um bilhão de pessoas, 15% da população mundial atual, têm algum tipo de deficiência, como alcança-las?
Os recursos podem ser escaços mas o entusiamos é grande. Clubes de astronomia, sociedades e esforços institucionais, principalmente realizados por voluntários, estão entre os melhores proliferadores de ciência no mundo, produzindo e oferecendo divulgação e materiais educacionais.

Programas de estudo escolarem em todo o mundo incluem principalmente temas sobre astronomia, uma enorme resposta tendo em vista que cidadãos com deficiência são menos prováveis para iniciar ou concluir a escola formal, eles também são condenado a um nível mais alto de pobreza, e sua participação como cidadãos é restrita devido à falta de apoio apropriado, infraestrutura e barreiras adicionais .

Um dos benefícios mais generalizados de imaginar, projetar e implementar ferramentas e atividades para cidadãos com alguma forma de deficiência é a necessidade de desconstruir a complexidade conceitual inerente de um idéia ou problema astronômico em sua forma mais componentes básicos. Este exercício fornece uma ponto de partida universal que é benéfico para comunicar astronomia de forma mais eficaz e claramente.

Para a comunidade com problemas visuais mais agravados, é cortada fora as fascinantes imagens astronômicas, esforços especiais foram desenvolvidos para décadas para tornar a astronomia acessível em formas alternativas e complementares. Livros em baixo-relevo e pôsteres de fenômenos cósmicos existem há décadas, juntamente com um quantidade limitada de literatura disponível em Braille. Modelos artesanais da posição constelações na esfera celeste trouxe as estrelas para os deficientes visuais.

Mais construções sofisticadas, por exemplo, um esfera oca aquecida semelhante ao sol,com ventiladores cuidadosamente colocados em seu interior, produz uma analogia térmica tátil de resfriador regiões – conhecidas como manchas solares – em nosso estrela-mãe, permita uma exoperência sensoriais imersiva.

Tendo consciência da importancia da acessibilidade deste universo oficinas para pessoas com deficiência intelectual foram projetados em torno do uso do sentidos, especialmente toque, ou através do uso de expressões artísticas.

Poderosamente impulsionado pelo Ano Internacional da Astronomia 2009, esforços globais foram feito para criar, montar e padronizar linguagem de sinais para fenômenos cósmicos, como como buracos negros, supernovas e planetas nomes. Essa linguagem permite uma comunicação muito mais clara e eficaz de idéias. Tais esforços fazem passeios em instituições, museus e exposições mais fáceis para se comunicar, permitindo uma método de educação. O observatório McDonald no Texas, por exemplo, projetou uma cadeira de rodas telescópio acessível para cidadãos com comprometimento da mobilidade.

Existem dois passos adicionais negligenciados de extrema importância para tornar a ciência verdadeiramente acessível. Primeiro, é a necessidade de divulgar e compartilhar livremente desenvolvimentos, procedimentos e implantação experiências. Poucos periódicos, se considerarmos aqueles com abertura acesso,é acessível a população. Em segundo, os departamentos e as comunidades científicas precisam projetar e implementar políticas públicas que fornecem recursos para, desenvolvimento e acesso à ciência, tecnologia, engenharia e matemática (STEM) para todos os cidadãos. Pessoas que podem abordar e usar a ciência em sua vida diária através dessas ferramentas pode alcançar uma melhoria qualidade de vida.

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Embora os recursos sejam limitados em nosso país, existem muitos esforços para aumentar a acessibilidade, algumas universidades públicas tem direcionados grupos que trabalhem desevolvendo ciencia para aproximação deste público.

Na UFRJ criaram uma réplica da Lua, assim os estudantes e visitantes puderam imagina-la a partir do toque. Esta criação tardou um ano em ser terminada, contou com materiais de baixo custo, como miçangaas e papelão. Este trabalho desenvolvido por meio dos pesquisadores não parou por ai, para efetivar uma cultura de acessibilidade, o grupo criou um material didático específico para esses alunos, um material que auxilie no desenvolvimento intelectual e facilite sua inclusão no meio social.

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Outra dificuldade é o ensino e aprendizagem pela comunidade surda, bem como no ensino tradicional, os professores dificilmente são capacitados para lidar de maneira professionais alunos que com essa necessidade. A Astronomia em LIBRAS possibilita ao Surdo não apenas o conhecimento de diferentes disciplinas, mas sintetiza ao demonstrar à comunidade cientifica uma nova abordagem para aprendizagem, ao desenvolver uma ferramenta de interação que possibilita uma melhor compreensão da metodologia proposta em sala de aula. É desafiador e instigante o trabalho com o ensino de Astronomia na comunidade Surda, ao analisarmos o interesse apresentado pelas crianças Surdas e ouvintes sobre a importância do conhecer a vastidão do Universo. É imprescindível ao professor que ensina Astronomia ter ao alcance material didático apropriado, de forma tátil, visual e auditiva; jogos didáticos e atividades lúdicas. Alguns canais no youtube tem auxiliado na difusão dos sinais relarivos a astronomia.

https://www.youtube.com/watch?v=q5N9bKbo6iA

Quando pensamos em acessibilidade temos de pensar em impactos causados em cenários em que um deficiente ocupe espaço de produção cientifica para deficientes, cenário ideal para criação de metodos educacionais mais próximos da realidade dos que têm essa demanda. A National Science Foundation menciona que em 2012, independente do campo, cerca de 11% dos estudantes de graduação relataram uma deficiência, enquanto cerca de 7% dos estudantes de pós-graduação relataram também.

Referências

[1] De Leo-Winkler, M.A. The universal Universe or making astronomy inclusive. Nat Astron 3, 576–577 (2019). https://doi.org/10.1038/s41550-019-0837-5

[2] http://www.ibc.gov.br/noticias/980-lua-criada-pelo-observatorio-do-valongo-e-aprovada-pelos-alunos-do-ibc

[3] https://tab.uol.com.br/noticias/redacao/2019/09/13/astronomos-criam-projetos-para-deficientes-visuais-conhecerem-universo.htm

[4] Marilia Rios Nunes. Possibilidades e Desafios no Ensino de Astronomia pela Língua Brasileira de Sinais. Dissertação apresentada ao Departamento de Astronomia do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo

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Explicando um modelo de espalhamento de doenças que tem sido bastante utilizado para descrever a evolução da COVID-19

Quando Newton descreveu a queda de uma maçã usando a lei da gravitação, ele encontrou uma maneira de descrever a queda dos corpos que funciona não só para maçãs, mas para bananas, mangas ou melancias. Funciona não só na Inglaterra, mas em qualquer outro país, ou em qualquer outro planeta. Essa é a beleza de encontrarmos bons modelos. Conhecendo o limite de validade do modelo, podemos fazer generalizações com razoável segurança. Podemos inclusive descrever a queda de uma fruta de que nunca tenhamos ouvido falar antes. 

Quando falamos de espalhamento de doenças, epidemias ou pandemias, existem algumas propriedades que são comuns a este processo independente do tipo da doença: gripe, ebola, rubéola; ou do país onde ela se espalha: China, Inglaterra, Brasil.  No exemplo do Newton, a força que o planeta exerce sobre uma fruta muda dependendo da massa da fruta e do planeta, mas a equação para a força gravitacional com que um corpo atrai o outro continua a mesma. Nos modelos de espalhamento de epidemia cada doença ou cada país pode ter parâmetros diferentes na velocidade do espalhamento ou da recuperação de infectados por exemplo. Mas, em princípio, um modelo epidêmico pode ser útil para estudarmos, inclusive, uma doença nova que descobrimos há apenas alguns meses como a COVID-19.  

Um dos modelos mais utilizados para descrever o espalhamento de doenças é chamado SIR e considera que cada indivíduo de uma população pode estar em 3 estados possíveis: Suscetível  (ainda não foi contaminado e não possui resistência ao vírus), Infectado (doente e transmitindo a doença) ou Removido (indivíduo curado ou morto). Indivíduos Suscetíveis podem tornar-se Infectados quando contaminados e, depois de um certo tempo, se recuperam ou falecem (tornando-se Removidos). Eventualmente todo Infectado se tornará Removido, mas nem todo Suscetível se tornará Infectado. Portanto, consideramos que a quantidade de  pessoas suscetíveis S, infectadas I e removidas R varia no tempo t. A dinâmica da população é exatamente a descrição de como esses números variam no tempo, e pode ser representada por um conjunto de equações diferenciais (equações para taxas de variações no tempo). Essas equações precisam garantir que S diminui cada vez que alguém é infectado (e consequentemente I aumenta) e que I diminui cada vez que alguém se recupera ou morre (o que aumenta R). Assim, numa população com um número fixo de N pessoas, a quantidade total de indivíduos Suscetíveis, mais a de indivíduos Infectados, mais a de pessoas Removidas (S+R+I) é fixa e igual a N.

Uma variante deste modelo chamada SEIR tem sido utilizada pelo grupo de epidemiologistas do Imperial College para estimar a evolução da epidemia de COVID-19 em vários países [1]. Os estudos desse grupo têm influenciado as decisões políticas do Reino Unido sobre a necessidade de isolamento da população. O modelo SEIR descreve como varia no tempo a quantidade de indivíduos Suscetíveis, Expostos (foram contaminados mas estão em período de incubação e ainda não são contagiosos), Infecciosos (o indivíduo pode transmitir a doença e os indivíduos sintomáticos começam a exibir os primeiros sintomas) e Removidos (pessoas isoladas que podem vir a ser curadas, hospitalizadas ou mortas). 

Figura 1: Esquema do modelo SEIR para descrever a propagação de doenças como a COVID-19. O parâmetro mais importante do modelo é o R0 chamado número de reprodução da doença e indica em média quantos Suscetíveis são infectados por um Infeccioso. Modificada das Refs. [2,5].

 

Na figura 1 podemos ter uma ideia do tempo médio que um indivíduo passa nos estados E e I (tempo de incubação e tempo infeccioso). Esses tempos dependem dos dados clínicos da doença e foram estimados na referência [1]. A taxa com que Suscetíveis viram Expostos depende tanto do tempo infeccioso (Tinf) como do parâmetro epidemiológico R0, chamado de número de reprodução de base. Na prática, este é o nosso parâmetro mais importante: R0 representa o número médio de contágios provocados por um indivíduo Infeccioso. No caso da COVID-19 estima-se R0 entre 2,4 e 3,0 [1]. Ou seja, uma pessoa doente, infecta entre 2 e 3 pessoas durante todo o período em que transmite a doença. Portanto a taxa com que o número S diminui no tempo é proporcional a R0/Tinf (veja Ref. [1,2,3] para saber mais detalhes matemáticos do modelo).

O número de reprodução efetivo Ref é proporcional ao R0 e à mobilidade dos indivíduos e, portanto, varia quando medidas de isolamento são tomadas. Por exemplo, se todos os Expostos fossem perfeitamente isolados antes de passarem a ser Infecciosos, eles não transmitiriam a doença para mais ninguém e Ref seria zero. Quando Ref>1 a doença infecciosa se espalha exponencialmente pela população; quando Ref<1 o número de Infecciosos passa a diminuir e a doença não tem potencial para se propagar na população. Para um R0 de 2,7, típico do coronavirus, é necessária uma redução de cerca de 70% na mobilidade das cidades para garantir Ref<1. Esta redução tão rígida é o que temos chamado lockdown.  

Nos últimos dias, o grupo do Imperial College publicou um novo estudo [4] estimando o Ref de vários países baseados na evolução da doença em cada lugar por diferentes métodos. Nesse artigo o Ref do Brasil foi calculado em 2,8 enquanto o da Alemanha foi de 0,8.  Ou seja, mantendo fixas as medidas de isolamento nos dois países, o número de novos infectados deve seguir diminuindo na Alemanha, e aumentando aqui no Brasil. É importante salientar que qualquer diminuição no Ref gera o tão citado achatamento da curva e pode ajudar a não sobrecarregar os hospitais. Por isso, reduções de mobilidade de cerca de 50%, ainda que não garantam a diminuição exponencial do número de infectados (como ocorreria com o lockdown), estão sendo fundamentais para os estados se preparem para enfrentar o pico da epidemia, por exemplo, comprando testes, EPIs, contratando profissionais de saúde e expandindo o número de leitos.

Utilizando dados específico da COVID-19 como porcentagem de pessoas hospitalizadas e taxa de fatalidade da doença por faixa etária, é possível usar o modelo SEIR para estimar o número de leitos que serão utilizados nos hospitais em cada estado. Por exemplo, um grupo de pesquisadores brasileiros tem empregado o modelo do Imperial College [1] para estimar a evolução da doença no estado de Alagoas e em outros estados do Nordeste [4]. Utilizando a pirâmide etária de Alagoas e as proporções de casos hospitalizados, internados em UTI e fatalidades distribuídas por faixa etária (obtidas a partir de dados de COVID-19 na China [1]) foi encontrado que 96,8% dos Removidos terão sintomas leves ou serão assintomáticos, 2,4% precisarão ser internados em leitos normais de hospital e 0,8% precisarão de leitos de UTI (veja Fig. 2) [4].

Figura 2: Esquema do modelo SEIR incluindo as informações sobre os Removidos para estimar número de leitos necessários nos hospitais da região. Os doentes podem ser separados em três grupos: sintomas leves ou assintomáticos, os que necessitam leitos normais de hospital e os que necessitam UTI. Modificada da Ref. [5].

 

Simulações da evolução do modelo SEIR para o estado de Alagoas indicavam que se, no começo de abril, as medidas de isolamento social fossem suspensas seriam necessários mais de 5000 leitos de UTI em junho. Na Fig. 3a vemos os resultados das estimativas de leitos necessários caso não fossem mantidas as medidas de isolamento social iniciadas em março (usando 𝑅0=2,7). Foram utilizados número diferentes de Infecciosos iniciais I(t=0)) para levar em conta a subnotificação dos casos: as linhas tracejadas indicam I(t=0)=30, enquanto as contínuas mostram os resultados para I(t=0)=300. Visto que o número de leitos de UTI no estado em maio será pouco maior que 250, o estudo mostrou não apenas que o isolamento social deveria ser mantido, mas também que a taxa de mobilidade deveria ser ainda menor para diminuir o Ref no estado e achatar a curva roxa na Fig. 3a. De fato, um segundo relatório comparou a ocupação real das UTIs com as simulações para Ref=1,5 considerando a redução na mobilidade graças às medidas de isolamento (ver Fig. 3b.). Esse tipo de previsão pode auxiliar nas decisões políticas de diferentes regiões sobre a necessidade de lockdown e no esclarecimento das dúvidas da sociedade sobre por que tantos sacrifícios são necessários nesses tempos de pandemia. Para saber mais sobre isto indico o excelente vídeo da Ref. [6] e outros sites confiáveis na Ref [7].

 

Figura 3: Simulação computacional utilizando o modelo SEIR com dados do estado de Alagoas para estimar número de leitos hospitalares necessários durante a epidemia de COVID-19. (a) Estimativa no caso sem isolamento social. (b) Estimativa mantendo o isolamento adotado em março e comparação com os dados reais de internados. Modificada da Ref. [5]

 

Referências 

[1] Neil M Ferguson, Daniel Laydon, Gemma Nedjati-Gilaniet al.Impact of non-pharmaceutical interventions (NPIs) to reduce COVID-19 mortality and healthcare demand.Imperial College London (16-03-2020),doi:https://doi.org/10.25561/77482.

[2] Binti Hamzah FA, Lau C, Nazri H, Ligot DV, Lee G, Tan CL, et al. CoronaTracker: World-wide COVID-19 Outbreak Data Analysis and Prediction. [Submitted]. Bull World Health Organ. E-pub: 19 March 2020. doi: http://dx.doi.org/10.2471/BLT.20.255695

[3] O modelo SEIR é matematicamente descrito pelas 4 equações diferenciais a seguir. (É possível também utilizar um modelo SEIR para cada município e acrescentar ao modelo os efeitos da mobilidade das pessoas entre as cidades.)

[4] https://mrc-ide.github.io/covid19-short-term-forecasts/index.html

[5] Relatórios sobre COVID-19 no estado de Alagoas: https://im.ufal.br/laboratorio/led/iniciativas-covid19/.

[6] Vídeo do Átila Iamarindo sobre a necessidade de Lockdown: https://youtu.be/gs-HlvC5iJc

[7] Outros sites úteis e confiáveis com números e informações sobre a pandemia:

https://www.worldometers.info/coronavirus/

https://covid19br.wcota.me/

https://www.comitecientifico-ne.com.br/

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Expedição MOSAiC: seguindo os passos de um dos grandes.

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O navio polar alemão Polarstern. Foto de Stefan Hendricks. 

Aos 28 anos, já não sofro mais de amores platônicos ou daqueles “crushs” sem explicação. Mais ainda há um indivíduo pelo qual nutro uma admiração nada tímida, o que minha mãe chamaria de “ter uma queda por”… Hoje falaremos desse homem: Fridtjof Nansen. E também das mudanças climáticas no Ártico. 

A primeira vez que ouvi falar de Nansen foi relacionado a um tipo de garrafa usada para amostragem de água no oceano, que possui um mecanismo de fechamento automático. Em 1894, Nansen criou um sistema em que um peso de latão chamado “mensageiro” era enviado por um cabo, permitindo que qualquer pessoa fechasse esta garrafa em qualquer profundidade desejada e revolucionando a maneira como investigamos o oceano. Um homem que dominou a arte de se comunicar com profundidade. 

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Esquema da Garrafa de Nansen, equipamento de amostragem oceanográfica. Imagem retirada do material da Universidade de Algarve, Portugal. 

Mais tarde, ainda na graduação, aprendi que Nansen foi o primeiro a notar que o oceano se move cerca de 45° para a direita (Hemisfério Norte) do vento predominante. Ele fez isso observando como seu barco flutuava com o gelo através do Oceano Ártico. Um homem que presta atenção aos detalhes.

Naquela época, mal sabia eu que essa deriva não era um passeio de barco comum pelo Ártico. Inspirado nos restos de um barco que afundou na Sibéria e foi descoberto na costa da Groenlândia três anos depois, Nansen projetou uma embarcação com casco arredondado e outras características para suportar a pressão do gelo na esperança de alcançar o pólo norte, o Fram. Apesar do desânimo de outros exploradores polares, Nansen levou o Fram às Novas Ilhas da Sibéria, no leste do Oceano Ártico, congelou-o em um bloco de gelo e iniciou sua expedição de três anos. Ele não alcançou o pólo, mas o Fram desviou-se para o oeste até emergir no Atlântico Norte e ele foi encontrado em Franz Josef Land após sua tentativa de chegar ao topo do mundo a pé. Todo mundo ama um homem interessado em uma aventura.

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Nansen e o Fram. Imagem de Domínio Público.

A expedição de Nansen inspirou a expedição do MOSAiC, que tem o quebra-gelo alemão Polarstern, preso no gelo na tentativa de replicar o caminho do Fram. Enquanto ele deriva com o gelo, cientistas coletarão dados de pesquisa atmosférica, oceanográfica, biológica e biogeoquímica no caminho, criando um conjunto de dados sem precedentes para entender o sistema Ártico. Tive a chance de fazer parte da primeira etapa desta viagem e trabalhar na configuração inicial dos equipamentos, cruzando meu caminho com o de Nansen mais uma vez. Correndo o risco de ser maquiavélica, devo concordar que “um homem prudente sempre tentará seguir os passos de grandes homens”.

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Passar um ano “preso” no gelo não é fácil. A expedição MOSAiC enfrenta um grande desafio logístico, incluindo pelo menos 3 aeronaves científicas, 4 navios quebra-gelo de apoio e muita colaboração internacional. 

A Expedição está programada para durar 1 ano e no momento se encontra em sua segunda fase. Na primeira, estive abordo do navio russo RV Akademik Fedorov, como parte de um programa de treinamento para doutorandos e mestrandos que ocorreu em conjunto (MOSAiC School). Fomos incluídos na tarefa de instalar uma rede de apoio ao Polarstern em um raio de 20km-40km da onde ele se encontrava fundeado no gelo. Horas de trabalho no gelo marinho, instalando estações meteorológicas, perfiladores e bóias. Tudo isso combinado a vôos de helicóptero para instalações um pouco mais simples, mas mais numerosas.

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Mapa da Rede de Equipamentos. A estrela vermelha no meio representa o Polarstern, no bloco de gelo escolhido. L-sites foram os locais com mais equipamentos instalados, contendo estações meteorológicas, boias de fluxos, boias de massa e perfiladores (quadrados azuis). M-sites são os locais um pouco menores, contendo medidores de salinidade e temperatura em profundidade, boias de neve e perfiladores (Círculos verdes). Os P-sites representam boias-GPS, que ajudam a monitorar a deformação dos blocos de gelo onde os equipamentos estão e dão uma melhor estimativa da deriva, que pode chegar até 3km por dia.    

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O grupo parte da MOSAiC School no Ártico com o RV Akademik Fedorov ao fundo (Set-Out/2019). Credit: Josephine Lenz.

Agora, o Polarstern está fundeado no gelo e derivando, junto com toda a sua rede de equipamentos de apoio. A deriva pode ser acompanhada pelo web app da expedição, junto com a deriva do Fram em 1893. Lá também se encontram diversas informações, fotos e artigos das atividades desenvolvidas e desafios enfrentados pelos cientistas e tripulação a bordo.

Screenshots do web app da expedição, mostrando a comparação entre as duas derivas. Polarstern à esquerda (azul) e o Fram de Nansen à direita (verde). MOSAiC se propõe a investigar o sistema climático do Ártico de forma integrada o ano todo – uma das maiores áreas desconhecidas da pesquisa climática.

Mas pra quê tanto esforço logístico pra passar um ano no meio do gelo? O Ártico é a área onde os efeitos das mudanças climáticas globais são mais visíveis, com taxas de aquecimento excedendo o dobro da média global e aquecimento ainda maior no inverno. Os cientistas já defendem que o oceano Ártico ficará sem gelo no verão ainda durante o século XXI. Essa mudança dramática não afeta somente o Ártico, impactando o clima em todo o hemisfério norte e fomentando um rápido desenvolvimento econômico na região.

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Mudanças próximas da temperatura da superfície de 1970-2017 (Gráfico: NASA GISS, https://data.giss.nasa.gov/gistemp).

Além disso, as projeções futuras de mudanças climáticas para o Ártico são extremamente incertas, com um fator de três incertezas do aquecimento projetado até o final deste século – uma incerteza muito maior do que em qualquer outro lugar do planeta. Muitos processos no sistema climático do Ártico estão mal representados nos modelos climáticos, porque não são suficientemente compreendidos. Enquanto não entendermos esses processos, as projeções do clima no Ártico não serão robustas.

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No Ártico, as incertezas dos modelos climáticos são muito maiores do que em qualquer outra parte do planeta. As projeções do aquecimento até o final do século variam entre 5 e 15 graus Celsius entre os diferentes modelos, para o mesmo cenário (RCP8.5). © Alfred Wegener Institute.

A compreensão dos processos climáticos do Ártico é limitada por falta de observações no Ártico Central, especialmente no inverno e na primavera. Durante essas estações, o gelo do mar é tão espesso que nem mesmo os melhores quebra-gelo de pesquisa conseguem penetrar no Ártico e os pesquisadores sempre ficam trancados. Daí a importância de coletar os dados durante a noite polar! Para melhorar as projeções dos modelos climáticos são preciso dados reais – em todas as épocas do ano. A expedição MOSAiC fornecerá uma base científica mais robusta para decisões políticas sobre mitigação e adaptação às mudanças climáticas e para estabelecer uma estrutura para gerenciar o desenvolvimento do Ártico de maneira sustentável.

Trabalho operacional, auroras, noite polar, -30 graus e ursos polares.  MOSAiC é uma forma ousada e inovadora de buscar entender o sistema climático do Ártico e sua representação nos modelos climáticos globais. Uma experiência sensacional, cujos dados estarão disponíveis para todos a partir de 2023.

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Trabalhando no gelo. Cientistas enfrentam diversas dificuldades, incluindo utilizar ferramentas finas com luvas grossas. Retirar as luvas com -30°C é arriscado e a exposição precisa ser mínima. Foto Thea Schneider.

Nansen também estava à frente de seu tempo de outras maneiras. De volta do Ártico e com acesso à internet (infelizmente) restabelecido, fui confrontada com meu primeiro “nude masculino” não solicitado de todos os tempos: um nu frontal de Fridtjof Nansen. Ele parece sereno e seguro de si em uma pose destemida, ousada e desafiadora. Assim como sua vida e sua contribuição para a ciência.

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Nude frontal de Nansen. Foto Dominio Público. 

Que homem! 😉

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O cérebro e suas redes (bem) complexas

No século XVIII a cidade de Königsberg (na atual Rússia) possuía 7 pontes conectando suas duas ilhas e duas outras porções de terra principais (veja mapa na figura 1). Diz a lenda que as pessoas costumavam se perguntar se seria possível fazer um passeio pelas ilhas atravessando todas as pontes sem repetir nenhuma delas. Até que em 1736, o matemático e físico Leonhard Euler resolveu essa questão considerando que cada pedaço de terra funcionaria como um nó e cada ponte como um link (ou uma conexão) entre os diferentes nós (veja o lado direito da figura 1) [1]. Ele percebeu que uma condição necessária para que todos os links (ou pontes) fossem percorridos uma única vez era que a rede tivesse zero ou apenas dois nós com um número ímpar de links. No primeiro caso qualquer nó poderia ser escolhido como ponto inicial do passeio. No segundo caso, o caminho (que ficou conhecido posteriormente como caminho de Euler) deveria começar e terminar exatamente nos nós com números ímpares de conexões. Note que essa solução se aplica a qualquer rede e não apenas a das pontes de Königsberg. Mas como a rede em questão possuía 4 nós, cada um com um número ímpar de links, Euler garantiu que não seria possível realizar um passeio por esta cidade cruzando cada ponte uma única vez.

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Fig.01: Mapa da cidade de Königsberg em 1736 e sua simplificação para um  estudo de redes. Figura retirada da Ref. [1].

Esta história ficou conhecida como o primeiro problema resolvido do que veio a ser a área do conhecimento que estuda as propriedades das redes complexas e que recebeu o nome de ciência das redes (network science). Desde então, a ciência das redes vem sendo utilizada para resolver problemas em diversas áreas como engenharia de transportes, finanças, genética, ecologia… Recentemente sua aplicação em neurociência ganhou o nome especial de network neuroscience [2] (ainda sem um nome oficial em português podemos chamar a neurociência das redes ou redes cerebrais). A ideia básica continua parecida com o problema das pontes, mas a quantidade de nós e links que podemos estudar é gigantesca. E, portanto, exige o desenvolvimento de novas técnicas de análise de redes e de obtenção de dados reais das redes específicas de interesse. Além disso, a quantidade de perguntas que podemos fazer sobre caminhos e propriedades dessas redes tem aumentado bastante.

Diversos grupos de pesquisa têm se dedicado a descrever da maneira mais detalhada  possível a rede formada por neurônios e sinapses de determinadas regiões do cérebro de diferentes espécies. Em julho deste ano foi publicada a matriz de conectividade completa do sistema nervoso do nematódeo C. Elegans (provavelmente o vermezinho mais querido da ciência) [3]. Em outras palavras, os cientistas descreveram todas as conexões entre os 302 neurônios do animal. Para diversas outras espécies, o que já conhecemos é a matriz de conectividade entre certas regiões do cérebro. Afinal, encontrar a matriz de conexão entre os 85 bilhões de neurônios do cérebro humano [4] parece uma tarefa exageradamente árdua.

Claramente as redes de conectividade dos diferentes animais são algo intermediário entre a total regularidade e a bagunça generalizada. Ou seja, os 302 neurônios do C. Elegans não estão organizados em uma rede regular, como em um cristal, onde cada nó tem a mesma quantidade de vizinhos (exemplo da esquerda na figura 2), nem estão conectados de maneira totalmente aleatória (direita da figura 2). E o que os cientistas têm buscado são propriedades topológicas mais gerais das diferentes redes cerebrais. Assim, seguimos procurando um ponto ótimo entre tentar conhecer o melhor possível a estrutura das redes que nos interessam e tentar extrair propriedades mais gerais dessas redes.

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Fig. 02 Modificada da Ref. [5].  Uma rede inicialmente regular onde cada nó possui dois vizinhos vai sendo transformada em uma rede aleatória seguindo uma regra em que sucessivamente escolhemos um nó que pode ter um de seus links removidos com probabilidade p e sorteamos aleatoriamente um outro nó para se conectar com este primeiro. Para valores intermediários de p esta rede é conhecida como mundo pequeno (small word).

No início desse ano, Danielle Basset uma física bastante ativa na área de neurociência das redes e buscando aplicações em medicina, publicou um artigo de revisão sobre a física das redes cerebrais [6]. O artigo é um compilado de como diversas áreas da física podem contribuir para neurociência e em particular para o estudo da topologia dessas redes a partir da análise dos diferentes tipos de dados. Ela salienta que a arquitetura das conexões entre os neurônios ou regiões cerebrais está sempre restrita a necessidade de minimização de energia e eficiência na transferência de informação. Se por um lado precisamos de técnicas para determinar o melhor possível a conectividade anatômica entre as regiões, por outro precisamos ser capazes de determinar a conectividade funcional levando em conta a atividade dinâmica do cérebro durante diferentes tarefas. Nos dois casos podemos determinar a matriz de conectividade das redes e suas propriedades topológicas (ver figura 03).

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Fig. 03 Modificada da Ref. [6]. Na primeira linha medimos as conexões anatômicas entre as regiões do cérebro e determinamos quais regiões estão conectadas entre si através da matriz de adjacência. Depois estudamos as propriedades da rede formada. Na segunda linha utilizamos a atividade elétrica ou sanguínea das diversas regiões cerebrais e determinamos uma matriz de similaridade dependendo do quanto esses sinais estão correlacionados. Esta é a chamada rede funcional pois pode variar durante a realização de diferentes tarefas cognitivas.

Por exemplo, em um outro artigo Danielle estudou a matriz de conectividade entre regiões do cérebro de quatro animais diferentes: rato, mosca, macaco e humanos [7]. A maioria das conexões nessas redes são de curto alcance, ou seja, conectam regiões próximas, o que reflete as restrições anatômicas e energéticas do sistema. No entanto algumas conexões entre regiões bastante afastadas são (inesperadamente) encontradas. Dado o custo energético dessas conexões longas, espera-se que elas desempenhem um papel importante para o funcionamento do cérebro. No artigo, a cientista mostrou que, diferente do que se acreditava, conexões de longas distâncias no cérebro têm um papel minoritário em reduzir as distâncias topológicas entre os nós da rede. Por outro lado, essas conexões de longo alcance aumentam a complexidade da dinâmica da rede. Graças à análise de mais dados e a combinação dessas análises com modelos teóricos (comparando conectividade estrutural e funcional) foi possível prever uma nova funcionalidade para essas conexões entre regiões distante que seria garantir a diversidade da atividade cerebral.

No começo desse mês, mais uma contribuição para essa área foi publicada dando mais um passo na caracterização da complexidade das redes. Dessa vez, um estudo realizado aqui no Brasil desenvolveu uma nova ferramenta matemática para classificar redes complexas de maneira geral, bem como redes associadas ao cérebro [8]. Utilizando algumas ideias bem estabelecidas de análise de séries temporais os pesquisadores propuseram uma maneira de calcular a entropia de uma rede complexa, baseado na probabilidade de um caminhante aleatório passear pelos diversos nós da rede. (Na analogia das pontes, considerando qual a probabilidade de você atravessar uma certa ponte durante um passeio aleatório pela cidade sem querer chegar em nenhum outro ponto específico.)

Calculando duas medidas específicas baseadas na quantidade de links de cada nó: a entropia de Shannon e a informação de Fisher para redes do tipo regular (vermelho) e do tipo aleatória (azul) eles puderam comparar onde outras redes reais estariam nesse plano.  Em particular, eles mostraram que a rede que descreve a medula da mosca e a retina do rato (respectivamente representadas pelos números #13 e #14 na figura 4) estão em uma região intermediária do plano de entropia podendo ser caracterizada por redes tipo mundo pequeno. Além disso, uma possível extensão dessa ferramenta seria calcular não apenas a entropia mas a complexidade (ou o desequilíbrio) dessas redes. Esperamos que, em breve, essa nova ferramenta possa ser utilizada em dados de outros sistemas nervosos como por exemplos os dados estudados na Ref. [7].

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Fig.04 Modificada da Ref. [8]. Compara as propriedades de redes reais (laranja) com redes simuladas computacionalmente com diferentes valores de densidade de links por nó. Calculando duas medidas estatísticas específicas : a entropia de Shannon e a informação de Fisher para redes do tipo regular (vermelho) e do tipo aleatória (azul) os autores deste trabalho puderam delimitar uma região do plano em que as redes reais se comportariam como rede tipo mundo pequeno.

Referências

[1]  Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Seven_Bridges_of_K%C3%B6nigsberg

[2]  Danielle S. Basset e Olaf Sporns. “Network neuroscience.” Nature neuroscience 20.3 (2017): 353.

[3] Steven J. Cook, et al. “Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes.” Nature 571.7763 (2019): 63-71.

[4]  Frederico AC Azevedo, et al. “Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled‐up primate brain.” Journal of Comparative Neurology 513.5 (2009): 532-541.

[5] Duncan J. Watts e Steven H. Strogatz. “Collective dynamics of ‘small-world’networks.” nature 393.6684 (1998): 440.

[6] Christopher W. Lynn e Danielle S. Bassett. “The physics of brain network structure, function and control.” Nature Reviews Physics (2019): 1.

[7] Richard F. Betzel e Danielle S. Bassett. “Specificity and robustness of long-distance connections in weighted, interareal connectomes.” Proceedings of the National Academy of Sciences 115.21 (2018): E4880-E4889.

[8] Cristopher GS Freitas, et al. “A detailed characterization of complex networks using Information Theory.” Scientific reports 9.1 (2019): 1-12.

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Descobrindo novos planetas, redescobrindo a Terra

Sempre nos perguntamos se estamos sozinhos no Universo. A probabilidade é que não estejamos: já se conhece mais de 4.000 planetas fora do Sistema Solar e é possível que existam mais de 60 bilhões de planetas com chances de habitabilidade parecidas com o nosso em todo o Universo. Se vamos conseguir achar vida – para não dizer vida complexa – nesses planetas é outra história. O exoplaneta em zona habitável mais próximo de nós, Proxima Centauri b, está a mais de quatro anos-luz de distância de nós. Se a mera ideia de viajar até lá está bem distante da realidade, encontrar um planeta “substituto” para a Terra está ainda mais distante no horizonte de possibilidades. A ciência diz que não existe mesmo um “planeta B”.

A astrônoma Raphaëlle Haywood, Sagan Fellow no Harvard College Observatory (EUA), tem plena consciência disso e busca compartilhar esta perspectiva ganha com anos de pesquisa sobre exoplanetas. Para ela, a descoberta de planetas longínquos “é uma nova revolução Copernicana” que nos ajuda a enxergar com mais clareza o nosso lugar no Universo – e nos ajuda, também, a entender que é preciso cuidar bem da Terra, nossa casa e único planeta comprovadamente habitável que conhecemos. 

Haywood conta um pouco mais o assunto nesta entrevista ao blog Cientistas Feministas.

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Raphaëlle Haywood (arquivo pessoal)

Quando você percebeu que queria ser uma astrônoma?

Quando criança, a primeira coisa que eu queria ser era florista. Eu amo flores, árvores e plantas… e depois eu queria ser uma botânica. E desde sempre, eu sabia que eu queria fazer um doutorado. Meu pai fez doutorado (em ornitologia), e acho que isso teve uma influência forte para mim desde pequena. Minha mãe tem um mestrado em biologia e minha família tem uma veia acadêmica bastante forte, e me sinto muito sortuda por isso e por ter tido bons professores. 

Então desde cedo eu sabia que queria fazer um doutorado, mas não sabia ainda em que área. Quando mais nova, pensava bastante em botânica, mas, quando me tornei adolescente, comecei a pensar em astronomia. Eu queria muito entender como o mundo funciona e que padrões existem no funcionamento das coisas – e então fui estudar Física, o que parecia um percurso natural, porque a Física te ajuda a entender como o mundo natural e as coisas funcionam. Tive uma professora que ensinava sobre estrelas e planetas – ela me contou sobre esse grupo de pesquisa na Escócia (na Universidade de St. Andrews), que se debruçava sobre planetas fora do nosso sistema solar, ou exoplanetas. E então se tornou muito claro para mim que eu queria trabalhar com isso, e fui para lá pesquisar isso no doutorado. 

A sua pesquisa envolve encontrar e caracterizar planetas pequenos no entorno de estrelas fora do nosso sistema solar. Como se encontra e se mede estes exoplanetas?

Quando se tem um planeta orbitando uma estrela, esse planeta gira ao redor dela porque a gravidade dessa estrela “puxa” esse planeta para perto. Ao mesmo tempo, esse planeta está exercendo uma força contrária sobre essa estrela também, mas proporcional ao seu tamanho. Quando o planeta é pequeno, ele exerce uma força pequena sobre a estrela – é pequena, mas está lá. Então a estrela “balança” um pouco – e esse “bamboleio” cria uma oscilação na luz da estrela. 

Luz é basicamente onda – e as cores que vemos no arco-íris têm comprimentos de onda um pouco diferentes entre si. Nós vemos, por exemplo, a luz do nosso Sol como amarela – e quando a luz de uma estrela como o Sol oscila, a luz vai do azul para o vermelho, mas em uma quantidade muito, muito pequena – e conseguimos medir essa variação entre azul e vermelho usando telescópios pequenos e incrivelmente precisos. O tamanho dessa variação de luz depende da massa do planeta que estamos observando. Então, por exemplo, se estamos olhando para um planeta grande e massivo, vamos ter mais azul e mais vermelho. 

Descobrir a massa e o tamanho de um exoplaneta é o mais fundamental quando se faz esse tipo de pesquisa. Olhamos para a estrela e, em alguns casos, o planeta passa bem na frente dela, fazendo um pouco de sombra. O tamanho dessa sombra, ou dessa pequena queda na emissão de luz, nos diz muito sobre o tamanho desse corpo celeste – que vamos perceber como planeta se fizer esse trânsito sempre à mesma velocidade e de forma regular. 

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Impressão artística de exoplanetas encontrados pela sonda Kepler (Imagem: NASA/W. Stenzel)

Como entender o funcionamento do nosso Sol pode ajudar a procura por exoplanetas?

É importante ter um pouco de perspectiva. Quando falamos de exoplanetas, estamos falando de planetas que orbitam estrelas muito, muito longe de nós. Aquelas estrelas que vemos no céu à noite são as mais brilhantes do céu – e muitos dos exoplanetas que estudamos estão orbitando essas estrelas. E tudo o que fazemos, de fato, é estudá-las – porque só conseguimos informação sobre exoplanetas de forma indireta, observando como eles afetam a luz das estrelas que orbitam. É como se a estrela fosse o farol de um carro que está a dois campos de futebol de distância de você – e você está procurando por um mosquito passando à frente desse farol. Tudo o que fazemos, de fato, é observar esse farol. 

Estamos procurando por planetas muito menores que suas estrelas – e há fluídos de plasma super quentes em erupção, sendo ejetados e voltando à superfície, e há campos magnéticos e manchas escuras… há muitas coisas acontecendo na superfície de uma estrela, que não é completamente uniforme. Então, precisamos corrigir esses efeitos todos para conseguirmos desemaranhar os sinais e entender a influência indireta que o planeta tem sobre a luz dessa estrela – e que melhor forma de fazer isso do que olhando para o nosso Sol? Nós o conhecemos muito bem – conseguimos ver os detalhes de sua superfície, suas manchas… a superfície do Sol é como a pele de uma laranja, não é lisa – e há outras estrelas assim também. Mas não conseguimos ver a superfície delas tão bem, porque estão muito mais longe – mas conseguimos ver mudanças na luminosidade delas ao longo do tempo. Como essas estrelas giram sobre si mesmas, as manchas aparecem e desaparecem, causando variações na luz delas também.

Mas então, como se diferencia uma mancha escura de um planeta orbitando essa estrela? Porque pode-se confundir os dois, não?

Sim, isso é um risco e já aconteceu. Em algumas das primeiras detecções de exoplanetas, pensamos que era um exoplaneta, quando na verdade era uma mancha. 

Para não confundir as duas coisas é preciso conhecer a estrela, como ela funciona, se tem manchas ou não, com que frequência essas manchas aparecem, como elas evoluirão com o tempo… Uma forma muito boa de se saber se temos um planeta ou não é ter duas detecções diferentes com métodos separados. Eu falava do método de trânsito e do método em que se vê azul e vermelho na estrela quando um planeta passa na frente de uma estrela. Se você consegue ver o trânsito de um planeta e também o “bamboleio” que esse planeta induz na estrela, então pode ter certeza que este é um planeta, mesmo. 

Estudando planetas distantes, você começou a prestar mais atenção aos processos naturais acontecendo aqui mesmo, na Terra. Como isso aconteceu?

Foram duas coisas: uma é minha paixão por plantas, árvores… e ter sido extremamente sortuda durante meu doutorado e agora no pós-doutorado, tendo a oportunidade de viajar para tantos lugares para fazer pesquisa, observações e participar de conferências. Conhecer tantos lugares me fez apreciar melhor o nosso planeta. 

Ao mesmo tempo, paro e penso que estou procurando por outros lugares como a Terra no meu trabalho. E ao fazer isso, percebo que sim, estamos começando a encontrar muitos planetas que têm algumas semelhanças com o nosso – eles são um pouco maiores e mais massivos (porque esses são mais fáceis de encontrar) – e se extrapolarmos sobre esses achados, esperamos que existam muitos outros planetas que se pareçam de alguma forma com a Terra. Mas acontece que nenhum deles será exatamente igual à Terra, certo? Mesmo um planeta gêmeo seria muito diferente – e isso me dá uma razão adicional para apreciar o que temos aqui na Terra. O que temos é muito precioso – e se quisermos manter nosso lar habitável para nós mesmos, temos que trabalhar para isso. Não existem outros lugares como aqui.

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É provável que o turismo para outros planetas habitáveis ainda permaneça no reino da ficção científica por muito tempo (Imagem: NASA-JPL/Caltech)

É uma perspectiva bastante ampla para pensar sobre sobre nosso planeta e nosso lugar no Universo. 

O fato de que estamos encontrando todos esses planetas fora do sistema solar… isso é algo sobre o qual a humanidade tem pensado por milênios. E todo mundo em algum momento, especialmente enquanto criança, já olhou para o céu – e pode ter se perguntado em algum momento se existem outros planetas como o nosso lá fora ou se esses planetas têm vida. As perguntas são muito antigas e as respostas são muito recentes: o primeiro exoplaneta encontrado fora do sistema solar, 51 Pegasi b, foi descoberto em 1995. E o que estamos vivendo com esses achados é uma nova revolução Copernicana – está nos fazendo repensar o nosso lugar no Universo e nos dando uma outra perspectiva. Acho que essas descobertas estão nos ajudando a pensar que sim, existe um monte de planetas no Universo, e provavelmente alguns muito similares à Terra – e podemos ousar pensar que, mesmo que não tenhamos encontrado vida neles ainda, pode haver seres vivos nesses lugares. E quem sabe se esses seres não estão encarando os mesmos problemas que nós? 

Agora mesmo, com as mudanças climáticas que estamos induzindo e com todas as implicações que vêm com elas, estamos mudando a habitabilidade do nosso próprio planeta a ponto de nos prejudicar. Estamos tornando nosso planeta um lugar menos confortável e menos habitável para nós mesmos. E penso que essa revolução Copernicana de encontrar outros planetas além do nosso sistema solar pode nos ajudar a enxergar as coisas de uma outra forma – pensando que talvez não sejamos os únicos a lidar com estas questões no Universo. Assim a situação fica menos dramática e conseguimos pensar que dá para fazer algo para lidar com isso. 

E então esperamos que as gerações futuras farão isso por nós porque falhamos nessa missão.

É bom colocar esperança nas gerações futuras, sim – mas na nossa geração também! Acho que a maior lição que tive com as oportunidades que me foram dadas por fazer astronomia é que nós, como indivíduos, podemos fazer a diferença. Cada um de nós deveria fazer o que acha certo, mesmo sentindo às vezes que o problema não está nas nossas mãos – de alguma forma, ele está, sim. 

Ajuda pensar que somos parte de algo maior. Às vezes eu gosto de pensar sobre o nosso cérebro e sobre como há bilhões de neurônios nele e eles estão “atirando” em direções aleatórias, mas, como um todo, ainda assim conseguimos ter pensamentos coerentes – existem padrões na forma como esses neurônios se comportam em meio ao caos.

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Atualidades sobre a Lua e Exomoons

Recentemente a missão Apollo 11, responsável pelo primeiro pouso na Lua, completou 50 anos e um novo plano está em ação para o retorno. A missão Artemis levará pela primeira vez uma mulher até o solo lunar, sendo um projeto de autoria da NASA, ESA e algumas instituições privadas.

A versão atual do programa Artemis incorpora vários componentes principais de outros projetos cancelados da NASA, tais como o Projeto Constellation (uma nova geração de naves para voos espaciais com humanos) e o Asteroid Redirect Mission (uma futura missão espacial que iria de encontro com um grande asteroide próximo da Terra e usaria braços robóticos com pinças de fixação para recuperar uma pedra de aproximadamente 4 metros do asteroide).

 

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Figura 1: Lua. Créditos: NASA/GSFC/Arizona State University

 

A missão Artemis sofreu vários golpes orçamentários nos últimos anos o que fez com que o projeto adiasse seu cronograma algumas vezes com previsão atual de chegada à Lua em 2024 .

Recentemente uma notícia curiosa chamou a atenção, a sonda israelense Beresheet foi feita para ser a primeira sonda privada a pousar na Lua. E tudo estava indo bem até que os controladores da missão perderam contato em abril enquanto a nave robótica descia. Além de toda a tecnologia que foi perdida no acidente, Beresheet tinha uma carga incomum: alguns milhares de tardígrados conhecidos como ursos-d’água. Muito resistentes, os tardígrados podem sobreviver a temperaturas variando desde pouco mais do que o zero absoluto (-272,15 °C) até os 150°C, pressões altíssimas e grandes níveis de radiação, cerca de 1000 vezes mais que um ser humano pode suportar!

Como a Lua é considerada sem vida, o escritório de proteção planetária da Nasa não desaprova as missões que derramam organismos terrestres em sua superfície. Afinal, astronautas já deixaram para trás seus próprios micróbios nos 96 sacos de lixo humano que aguardam algum futuro limpador na Lua. Se a espaçonave tivesse derramado sua carga viva em Marte, a história poderia ser diferente.

Dentro do sistema Solar sabemos que diversos planetas têm “luas”, satélites naturais, como pode ser visto mais detalhadamente nessa série de artigos da nossa página . Fora do nosso sistema temos as Exomons, “luas” de planetas orbitando estrelas que não se encontram no Sistema Solar. No final de 2018 pesquisadores apresentaram novas observações de uma candidata a “lua” associada ao Kepler-1625b usando o Telescópio Espacial Hubble.

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Figura 2: Impressão artística do planeta Artist’s do planeta Kepler-1625b orbitando sua estrela com a possível exomoon.Créditos:Dan Durda/Science

 

O sistema Kepler-1625 se encontra a mais de 8 mil anos-luz do nosso sistema e contém uma estrela bem similar ao Sol, o planeta Kepler-1625b é um gigante gasoso com cerca de 10 massas da Júpiter. As evidências em favor da hipótese da “lua”, foi baseada em decréscimos de fluxo de luz da estrela consistente com uma grande exomoon em trânsito (passando na frente da estrela). Como todo o trabalho foi feito apenas com os dados do Hubble, os pesquisadores defendem o monitoramento futuro do sistema para verificar as previsões do modelo e confirmar a existência da “lua”.

 

Referências:

[1] Evidence for a large exomoon orbiting Kepler-1625b; Alex Teachey and David M. Kipping; Sci Adv 4 (10), eaav1784. DOI: 10.1126/sciadv.aav1784

[2] https://apod.nasa.gov/apod/ap190716.html

[4] https://www.nasa.gov/artemis/

[3]https://www.theguardian.com/science/2019/aug/06/tardigrades-may-have-survived-spacecraft-crashing-on-moon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Cérebro crítico: novas evidências para uma teoria sobre transições de fase entre estados cerebrais.

Várias vezes usamos expressões como “minha cabeça está fervendo” ou “meu cérebro derreteu” numa analogia despretensiosa entre as super conhecidas transições de fase do estado líquido para o gasoso ou do sólido para o  líquido. Mas existe, de fato, uma hipótese relacionando os estados do nosso cérebro e as transições de fase em sistemas físicos. E a pergunta da moda é “Que transição seria essa?”

 

 

Quando você abre uma caneca de café quentinho (daquelas que têm uma tampinha para o café não esfriar), inevitavelmente algumas moléculas do vapor de café se difundem no ar e atingem seu nariz. Isso garante que você poderá sentir o aroma desta iguaria (que facilita o avanço da ciência há muitos séculos).  E isso só acontece porque alguns neurônios receptores no seu nariz são capazes de identificar estas moléculas e transmitir essa informação através de sinais elétricos para diferentes regiões do seu cérebro. Ou seja, um processo que começa em uma escala molecular vai ser transmitido para regiões cada vez maiores do seu sistema nervoso de maneira a gerar uma reação cognitiva na escala comportamental. Por exemplo, desencadeando um sorriso ou uma careta se o cheiro for agradável ou não.

Uma questão ainda em aberto no meio científico é como relacionar a atividade cerebral que ocorre em diferentes escalas de tempo e espaço e o nosso comportamento. Em outras palavras como a atividade aparentemente desordenada de tantos neurônios respondendo a estímulos externos pode se tornar organizada para dar origem a padrões tão complexos de comportamento. E é aqui que as ideias de transições de fase [1] e criticalidade podem nos ajudar.

No caso particular do nosso exemplo com o café, poderíamos pensar numa transição de fase entre dois estados específicos: um com muita atividade desencadeada pelos neurônios receptores e outro sem atividade. Imagine que os neurônios do nariz estivessem fracamente conectados entre si, ou que a capacidade de resposta deles a um estímulo fosse muito pequena. Neste caso, você só sentiria o cheiro de café se praticamente encostasse o líquido no nariz. Dizemos que nesta fase seria necessário um estímulo muito grande para que a atividade dos neurônios fosse mantida por tempo suficiente para que percebêssemos o aroma. Caracterizamos este estado como absorvedor, uma vez que para estímulos pequenos os neurônios rapidamente iriam parar de disparar ou ficariam em silêncio e a informação não se propragaria.

Por outro lado, se os neurônios do nariz estivessem fortemente conectados ou em um regime super sensível, bastaria alguém esquecer um copinho de café em cima da mesa (ver Figura 1) a muitos metros de distância que seus sensores já seriam capazes de perceber o cheiro. Além disso, se a atividade elétrica não diminuísse facilmente, você poderia passar o dia todo com a sensação de que ainda estava sentindo o tal cheirinho de café. Dizemos que esse estado é ativo, pois qualquer estímulo, por menor que seja gera uma resposta alta e duradoura.

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Figura 1: Imagem do copinho de café mais famoso do ano. (Se você não acompanhou as fofocas de Game of Thrones pode ler mais sobre esse cafezinho aqui.)

Pensando sobre esses dois extremos, parece razoável imaginar que o ideal é que nossos neurônios operem em um estado intermediário entre o silencioso e o ativo. Portanto, é fácil imaginar que exista um ponto ótimo no meio do caminho entre ser absorvente e ser super reativo e que talvez o nosso cérebro poderia estar próximo a este ponto. Essa analogia foi bastante utilizada nos últimos anos para exemplificar uma possível transição de fase no cérebro e uma preferência por estados próximos ao ponto crítico onde essa transição ocorreria.

Mas de onde veio essa ideia?

Nos anos 80 o físico Per Bak propôs que, através de interações locais, diversos sistemas complexos poderiam se auto organizar em torno de um ponto crítico. Esta criticalidade estaria, em geral, relacionada a uma transição de fase entre um estado bagunçado e outro mais organizado. Esse fenômeno ficou conhecido como criticalidade auto organizada e tem como uma das principais características a presença de distribuições do tipo lei de potência [2] em que eventos pequenos (ou de curta duração) têm uma probabilidade maior de ocorrer do que eventos grandes (ou de longa duração). Per Bak também propôs que o cérebro funcionaria de acordo com esses mesmos princípios. Segundo esta teoria, que ficou conhecida como criticalidade cerebral ou hipótese do cérebro crítico, a atividade neuronal obedeceria às mesmas leis matemáticas que o deslizamento dos grãos de areia empilhados na base de uma ampulheta. Ou seja, que a ocorrência de certos eventos, chamados avalanches, com diferentes tamanhos permitiriam manter a estabilidade global do sistema. No caso da areia as avalanches são deslizamentos de uma certa quantidade de grãos. Enquanto que no caso do cérebro essas avalanches seriam disparos elétricos de alguns neurônios.

Em 2003 Beggs e Plenz [3] publicaram a primeira evidência experimental para sustentar a hipótese do cérebro crítico. Eles mostraram que a atividade elétrica espontânea dos neurônios em fatias de cérebro de ratos, de fato, exibe uma lei de potência. Isto é, a probabilidade P(s) de observar uma avalanche com s disparos neuronais é proporcional a s elevado a um certo expoente (nesse caso: P(s)~s^(-1,5)).

Desde então muitos outros estudos mostraram evidências a favor desta hipótese, mas também contra ela. Um dos pontos fracos da teoria foi levantado em um estudo recente, que mostrou que a assinatura de lei de potência também pode ser encontrada em sistemas que estão longe de um ponto crítico [4]. Outro ponto contra é que a ideia da transição de fase no nosso exemplo do café entre um estado silencioso e outro ativo não leva em conta que o estado silencioso não é encontrado em um cérebro vivo. Ela também deixa de fora um estado cortical bastante conhecido dos experimentos em neurociência que diz respeito às oscilações cerebrais (alguns deles já descritos anteriormente aqui, aqui e aqui).

Certo, mas e daí?

E daí que, em maio deste ano, um grupo de físicos brasileiros (trabalhando em universidades públicas) publicou em uma das revistas internacionais mais importantes da física o que pode ser considerada a evidência mais forte em favor da hipótese do cérebro crítico [5]. Fortalecendo, portanto, a ideia de que o cérebro, de fato, opera em um ponto intermediário entre dois estados cerebrais diferentes. Além disso, os resultados deste trabalho sugerem que a transição de fase não ocorre entre um estado absorvente e outro ativo como no exemplo inicial do cafezinho, mas sim entre duas fases ativas: sincronizada e dessincronizada.

O grupo estudou a atividade elétrica do córtex visual primário em ratos anestesiados e utilizou uma medida da variabilidade desta atividade ao longo do tempo [6] para quantificar os diferentes estados corticais (ver exemplo de três estados diferentes na Figura 2(a)). Os estados encontrados para o tipo específico de anestesia utilizada variam desde uma atividade muito sincronizada (parecida com a que ocorre em alguns estágios do sono) até uma atividade aparentemente aleatória (parecida com estados acordados). O grupo mostrou que os tamanhos e durações das avalanches neuronais obedecem às distribuições de leis de potência verificadas in vitro no estudo de 2003 (ver Figura 2(b)). E que alguns dos resultados também são encontrados em dados de domínio público de experimentos realizados com outros animais (macaco, tartaruga e rato).

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Figura 2. Modificada da Referência [5]: Visão geral dos resultados experimentais fortalecendo a hipótese do cérebro crítico. (a) Atividade do córtex visual do rato anestesiado em três diferentes estados corticais com coeficiente de variação e nível de sincronização crescendo da esquerda para direita. (b) Distribuição do tamanho das avalanches P(S) obedecendo uma lei de potência para o estado de sincronização intermediária (vermelho). (c) Relação de escala mais rígida para os coeficientes críticos que só é obtida quando a curva azul e preta se interceptam. Indicando que a transição de fase ocorre em estados de sincronização nem muito alta nem muito baixa.

 Os pesquisadores mostraram ainda que os dados obedecem a uma condição matemática mais rigorosa do que somente a existência de uma lei de potência, e que reforça a hipótese de criticalidade. Em particular, essa condição mais especial de criticalidade não é satisfeita para qualquer valor de atividade, mas somente em estados corticais que estão entre regimes de alta e baixa sincronização (caracterizado por valores intermediários do coeficiente de variação, como mostrado na Figura 2(c)). Isto significa que a transição de fase pode ocorrer entre um estado com atividade muito aleatória e outro com atividade muito sincronizada.

Finalmente, o grupo analisou um modelo teórico de neurônios excitatórios e inibitórios chamado CROS (sigla do inglês para oscilações críticas, critical oscillations) que pode representar uma transição para um estado com oscilações corticais. Eles mostraram que as relações entre os expoentes críticos obtidos a partir deste modelo são mais parecidas com as obtidas utilizando os dados experimentais analisados do que o modelo bem conhecido de transição entre estados ativos e inativos (como no exemplo do café).

Todas estas novas evidências fortalecem a hipótese de que o cérebro pode estar operando próximo a uma transição de fase entre dois estados bem definidos; e abre novas perspectivas na busca de um modelo teórico, baseado em mecânica estatística, que explique a diversidade dos expoentes críticos obtidos com diferentes dados experimentais. Esperamos que a determinação de tal modelo contribua para um melhor entendimento do cérebro como um todo; e da relação entre as escalas neuronais microscópicas e as escalas macroscópicas do comportamento.

E, claro, esperamos que pesquisas como essa sirvam de exemplo para a sociedade sobre a qualidade e a importância do trabalho que é realizado nas Universidades Federais do nosso país.

Referências e comentários:

[1] As transições de fase mais conhecidas estão relacionadas com os estados sólido, líquido e gasoso da matéria. Em particular estamos bastante acostumados com transições chamadas de primeira ordem onde coexistem gelo e água líquida, ou água líquida e vapor que podem ser induzidas por fornecimento de calor e ocorrem a uma temperatura constante e que depende da pressão. Existem porém transições ditas de segunda ordem que possuem características diferentes das de primeira ordem. Por exemplo, no ponto crítico do diagrama pressão versus temperatura da água temos uma transição de segunda ordem em que o fluido está tão quente e comprimido que não é possível diferenciar as fases líquida e gasosa.

[2] Matematicamente a probabilidade P de ocorrer um evento de tamanho s é dada por: P(s)~(s)^k  e este gráfico pode ser representado por uma reta em escala log-log. Diferentemente da distribuição normal (Gaussiana) este tipo de distribuição não apresenta um tamanho característico.

[3] Beggs, John M., e Dietmar Plenz. “Neuronal avalanches in neocortical circuits.” Journal of neuroscience 23.35 (2003): 11167-11177.

[4] Touboul, Jonathan, and Alain Destexhe. “Power-law statistics and universal scaling in the absence of criticality.” Physical Review E 95.1 (2017): 012413.

[5] Fontenele, Antonio J., et al. “Criticality between cortical states.” Physical review letters 122.20 (2019): 208101.

[6] O coeficiente de variação CV de uma série temporal é definido como a razão entre o desvio padrão da atividade e sua média.

Outros textos sobre criticalidade cerebral:

https://www.quantamagazine.org/toward-a-theory-of-self-organized-criticality-in-the-brain-20140403/

https://www.quantamagazine.org/do-brains-operate-at-a-tipping-point-new-clues-and-complications-20190610/