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Novo modelo tenta representar como o cérebro percebe odores únicos

Usando física estatística e biologia, pesquisa pode ajudar a formar novas hipóteses e experimentos para a compreensão do sistema olfativo, uma via complexa e crucial do cérebro

doTERRA International via Pexels

Fonte

Universidade da Pensilvânia

Data

quarta-feira, 3 novembro 2021 06:10

Áreas

Modelagem Matemática. Neurociências.

Um estudo publicado recentemente na revista científica PLOS Computational Biology descreve um novo modelo de como o sistema olfativo discerne odores únicos. Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos, descobriram que um modelo simplificado e baseado em estatísticas pode explicar como os odores individuais podem ser percebidos como mais ou menos semelhantes a outros, dependendo do contexto. Esse modelo fornece um ponto de partida para gerar novas hipóteses e conduzir experimentos que podem ajudar os pesquisadores a compreender melhor o sistema olfativo, uma parte complexa e crucial do cérebro.

O sentido do olfato, embora fundamental para o paladar e para evitar riscos à saúde, não é tão bem estudado quanto os outros sentidos. O Dr. Vijay Balasubramanian, coautor do estudo, um físico teórico com interesse em como os sistemas vivos processam informações, disse que o olfato é um excelente exemplo de um sistema complexo de processamento de informações encontrado na natureza, já que existem muito mais tipos de moléculas voláteis – no escala de dezenas ou centenas de milhares – do que existem tipos de receptores no nariz para detectá-las, na escala de dezenas a centenas, dependendo da espécie.

“Cada molécula pode se ligar a muitos receptores, e cada receptor pode se ligar a muitas moléculas, então você obtém essa mistura combinatória, com o nariz codificando cheiros de uma forma que envolve muitos tipos de receptores para dizer coletivamente o que é um cheiro, E porque há muito menos tipos de receptores do que espécies moleculares, você basicamente tem que comprimir um espaço olfatório de dimensão muito alta em um espaço de dimensão muito inferior de respostas neurais”, explicou o Dr. Balasubramanian.

Experimentos anteriores descobriram que o contexto desempenha um papel fundamental na navegação neste espaço de alta dimensão, com contexto referindo-se a resultados, locais, comportamentos ou atividades específicas. “Se você experimenta odores em um contexto semelhante, mesmo que inicialmente fossem bastante diferentes nas respostas que evocam no nariz, eles começam a ser representados por respostas neurais semelhantes, de modo que se tornam os mesmos em sua cabeça”, disse o pesquisador.

Mas teorias e modelos que descrevem como a percepção do odor pode mudar dependendo do contexto têm sido difíceis de desenvolver porque incorporar as complexidades do cérebro é difícil. Neste estudo, os pesquisadores tentaram uma abordagem mais simples que incorpora feedback estocástico e não estruturado entre o cérebro central e o bulbo olfatório.

“Imagine que cada contexto fornece algum tipo de padrão aleatório de feedback e, em seguida, esses padrões aleatórios são alimentados para o cérebro central. Nos perguntamos se as estatísticas de aleatoriedade poderiam produzir os tipos de convergência e divergência na representação neural de odores que são observados experimentalmente ”, disse o Dr. Balasubramanian.

Para representar o máximo possível de complexidade no modelo, os pesquisadores combinaram duas abordagens. Uma é mais típica do trabalho em física e envolve a decomposição de um sistema apenas em seus recursos essenciais, a fim de fazer cálculos e compreender os seus princípios-chave. A outra está mais alinhada com os métodos da biologia e incorpora tantas entradas conhecidas quanto possível, que aqui incluíam dados sobre a anatomia e fisiologia do cérebro, a dinâmica do canal de íons dos neurônios, micrografias eletrônicas e a geometria 3D detalhada do bulbo olfatório.

“Houve uma interação fantástica, com a teoria guiando o modelo mecanicista e o modelo mecanicista desenvolvendo a teoria. Esse foi um exemplo muito bom de diferentes abordagens se unindo: o modelo mecanicista clássico e detalhado versus um modelo baseado em princípios e equações, e ambos interagiam”, destacou o Dr. Balasubramanian.

Os pesquisadores descobriram que seu modelo simplificado poderia ser usado para reproduzir os mesmos tipos de resultados vistos em experimentos de olfato. É algo que o Dr. Vijay Balasubramanian não esperava ver, pois ele pensava que um processo tão complexo exigiria “aprendizado e plasticidade” para se adaptar e mudar as sinapses neurais para modificar a representação dos cheiros do cérebro. “Podemos ter encontrado uma estratégia geral de usar certos tipos de sinais aleatórios para incorporar esses efeitos”, ressaltou o especialista.

No futuro, os pesquisadores esperam conectar os resultados de seu modelo estatístico aos resultados experimentais. Uma área específica de interesse é como o aumento da excitabilidade cortical, que ocorre em certas condições neurológicas, como a doença de Alzheimer, afeta a forma como os diferentes odores são percebidos. Além disso, ter esses tipos de modelos e teorias também pode ajudar os pesquisadores a obter uma melhor compreensão do comprometimento do olfato após a COVID-19.

“Boas teorias e modelos abrem novos caminhos de pesquisa e é muito mais fácil explorar no início in silico”, concluiu o Dr. Vijay Balasubramanian.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade da Pensilvânia (em inglês).

Fonte: Erica K. Brockmeier, Universidade da Pensilvânia. Imagem: doTERRA International via Pexels.

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