Talento

Uma lei universal da fisiologia emerge da pesquisa de um professor
Suas descobertas, a primeira comparação quantitativa de respostas de adaptação, são apresentadas em um artigo na Frontiers of Human Neuroscience .
Por Matthew Tierney - 27/10/2021


O professor de engenharia da Universidade de Toronto, Willy Wong, descobriu uma relação matemática na curva de resposta de adaptação sensorial que é verdadeira para todas as modalidades sensoriais e todos os organismos. A equação (canto superior direito) é SS = √PR x SR. Crédito: Matthew Tierney / University of Toronto Engineering

A pesquisa sobre adaptação sensorial liderada pelo professor de engenharia da Universidade de Toronto, Willy Wong, pode ter descoberto um princípio organizacional da fisiologia anteriormente esquecido.

Os biólogos sabem há muito tempo que os organismos se adaptam a um estímulo constante de maneira semelhante, diz Wong.

“Imagine que você entra em uma sala que alguém acabou de pintar. Você provavelmente pensará: 'Isso cheira mal'. Mas a sensação diminui à medida que você fica lá dentro. As moléculas não desaparecem, não dentro desse período de tempo. Você acabou de se acostumar com isso. "

De um estado inicial, a atividade de resposta do organismo aumenta para um pico de resposta e, em seguida, cai para um novo estado estacionário final. Wong descobriu que esses três pontos fixos na curva de adaptação formam uma relação matemática que é obedecida em todas as modalidades sensoriais e organismos.

"Eu comparei 250 medições de adaptação de diferentes ramos da fisiologia sensorial e descobri que todos eles são compatíveis com uma única equação simples", disse Wong.

Suas descobertas, a primeira comparação quantitativa de respostas de adaptação, são apresentadas em um artigo na Frontiers of Human Neuroscience .

O trabalho recente de Wong em interfaces cérebro-máquina , como uma prótese retiniana para restaurar a visão de pacientes cegos , se baseia em sua fascinação de longa data pelo código neural - como os neurônios processam informações. Embora a compreensão atual do código ainda esteja longe de ser perfeita, quanto mais pesquisadores entendem como nossos cérebros convertem sinais em percepções, melhor eles podem projetar tecnologias para substituir funções perdidas ou aprimorar as existentes.

Os dados dos gráficos (a) a (o) são retirados de estudos que vão de 1956 a 2017, realizados
em porquinhos-da-índia, lagostins, moscas-das-frutas, besouros e outros organismos.
A linha tracejada é a resposta prevista da equação de Wong.
Crédito: Willy Wong / University of Toronto Engineering

A ideia de uma curva de resposta sensorial que cai com o tempo pode parecer contra-intuitiva: uma sensação forte não deveria retornar uma taxa de resposta consistentemente forte? Mas já na década de 1920, fisiologistas como Edgar Adrian demonstravam por que não.

Adrian, cujo trabalho ganharia o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1932, usou um espécime de sapo para rastrear o fenômeno de adaptação ao nível de neurônios individuais. Ele descobriu que os neurônios usam uma unidade básica de comunicação, um impulso nervoso chamado potencial de ação, que dispara a mesma força de sinal, desde que um limite seja atingido.
 
"Os potenciais de ação não vêm pela metade", diz Wong. "Ou você consegue um ou não. Se o fizer, o neurônio precisa de algum tempo para recarregar antes que possa disparar outro. Na adaptação, a taxa de geração de potencial de ação cai gradualmente para um estado estacionário diferente de zero."

A resposta de adaptação ocorre em todos os animais, de vertebrados, como mamíferos, a invertebrados, como insetos, e em todas as modalidades sensoriais. Isso inclui os cinco sentidos tradicionais de visão, audição, tato, paladar e olfato, junto com funções somatossensoriais como a propriocepção - a consciência do corpo de si mesmo - e a eletrorrecepção, como encontrada nas enguias.

Uma das maiores surpresas de Wong foi que sua equação se aplica a alguns dos organismos multicelulares mais antigos, como as águas-vivas, que têm sistemas sensoriais muito diferentes.

"Se você acender uma luz sobre eles, eles voam para a luz ou se afastam dela - mas apenas porque seus fotorreceptores estão conectados à saída do motor", diz ele. "O que levanta a questão, esta equação é universal? No futuro, se encontrarmos alienígenas com exobiologia nunca vistos neste planeta, eles também poderiam ser limitados pelas mesmas limitações ou princípios?"

Nas ciências físicas , a universalidade é determinada pela replicação dos resultados, independentemente de quando, onde ou por qual método eles são obtidos. Mas isso nem sempre é possível em experimentos biológicos, o que pode representar barreiras significativas para a repetição das medições.

No entanto, quando os dados de estudos independentes não relacionados - em diferentes períodos de tempo, pesquisadores e métodos - convergem como evidência, isso fortalece o caso para a conclusão. Esse princípio, denominado consiliência, se baseia na premissa de que a ciência é unificada, sustentando o consenso em teorias como a teoria da evolução e a teoria do big bang, entre outras.

"Todos esses dados estavam lá", diz Wong, "peguei uma curva aqui, uma curva ali, comparei-os - até mesmo os gráficos canônicos de Adrian. Todos conformados com a mesma relação média geométrica. Não depende do pesquisador, de qual equipamento estava usado, ou no organismo. Dessa perspectiva, é universal. "

"Este é um trabalho esclarecedor do professor Wong", disse a professora Deepa Kundur, cadeira de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Toronto. "É um lembrete de quão difundida é a engenharia elétrica e da computação - como os pesquisadores são capazes de contribuir para muitas áreas de estudo aparentemente de longo alcance."

A descoberta de uma nova equação fisiológica não acontece todos os dias, e é mais improvável que venha de um engenheiro. Embora Wong já estivesse desenvolvendo essas ideias há anos, ele atribui à pandemia algum tempo para se reorientar, bem como períodos frutíferos de progresso de pesquisa.

“Eu estava na elíptica”, diz ele, quando solicitado a apontar seu momento “a-ha”. "Ou lendo notícias ou pensando no meu trabalho. Acho que esse foi o momento."

 

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