Tecnologia Científica

Modelo desenvolvido pela USP simula propriedades de neura´nios e testa tratamentos para epilepsia no computador
Ao simular o comportamento das células do sistema nervoso durante as crises epilanãticas, modelo reduz necessidade de experimentos com animais
Por Júlio Bernardes - 17/04/2020


Modelo computacional criado a partir de experimentos sobre o funcionamento do sistema
nervoso simula as propriedades das células nervosas (neura´nios) que podem estar por trás
das crises epilanãticas; manãtodo permitira¡ testar tratamentos para epilepsia previamente no
computador osArte sobre imagem de Carlos Culma /Flickr

Um modelo computacional que podera¡ aprimorar o diagnóstico e o estudo de novas terapias para a epilepsia foi desenvolvido em pesquisa da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeira£o Preto (FFCLRP) e da Faculdade de Medicina de Ribeira£o Preto (FMRP), ambas da USP. Com base em experimentos sobre o funcionamento do sistema nervoso, o trabalho criou um modelo que simula as propriedades dos neura´nios (células que compõem o sistema) que podem estar por trás das crises epilanãticas. O manãtodo permitira¡ testar tratamentos para a epilepsia previamente no computador, reduzindo a necessidade de experimentos com animais e facilitando a realização de testes em seres humanos. O modelo édescrito em artigo publicado na revista cienta­fica International Journal of Neural Systems.

De uma maneira geral, as epilepsias, tanto humanas como em animais, como cachorros e gatos, por exemplo, são causadas quando os neura´nios entram em hiperatividade e hipersincronia. “Nesse caso, os pacientes apresentam crises que podem ser convulsivas ou não. Ha¡ muitas formas de gerar epilepsia, como lesões no cérebro causadas por acidentes, febres extremas, ou esta­mulos externos como o som e a luz”, explica Rodrigo Felipe de Oliveira Pena, que desenvolveu a pesquisa durante seu doutorado na FFCLRP. “A maioria das crises humanas são geradas esponta¢nea e inesperadamente e apenas 5% são geradas por algum esta­mulo, as chamadas crises reflexas”.

De acordo com o pesquisador, em humanos, as crises convulsivas geradas por som são mais raras do que em gatos e cachorros. “Nos experimentos em laboratório, são utilizados ratos audiogaªnicos, que são animais geneticamente selecionados para terem crises epilanãpticas quando ouvem sons de alta intensidade. Normalmente, as crises epilanãticas induzidas pelo som nesses animais são restritas a áreas que processam a informação sonora”, afirma. “No entanto, quando alguns animais são submetidos a diversas estimulações sonoras, as crises epilanãticas  passam a afetar outras áreas do cérebro, como por exemplo, o hipocampo, que éuma área associada a memória e aprendizagem.”

Apesar de não haver relatos de crises epilanãticas provocadas por sons que atingiram o hipocampo em seres humanos, Oliveira Pena aponta que os ratos que apresentam esse tipo de crises são um modelo experimental que se aproxima de outras formas de epilepsia em seres humanos. “Esse éo caso, por exemplo, das epilepsias refrata¡rias, onde as crises continuam a ocorrer mesmo quando o paciente faz uso de medicamentos”, diz. “O objetivo da pesquisa foi criar um modelo computacional que pudesse propor uma explicação do motivo dos neura´nios no hipocampo desses ratos serem diferentes dos animais sauda¡veis.

De acordo com o pesquisador, em humanos, as crises convulsivas geradas por som são mais raras do que em gatos e cachorros. “Nos experimentos em laboratório, são utilizados ratos audiogaªnicos, que são animais geneticamente selecionados para terem crises epilanãpticas quando ouvem sons de alta intensidade. Normalmente, as crises epilanãticas induzidas pelo som nesses animais são restritas a áreas que processam a informação sonora”, afirma. “No entanto, quando alguns animais são submetidos a diversas estimulações sonoras, as crises epilanãticas  passam a afetar outras áreas do cérebro, como por exemplo, o hipocampo, que éuma área associada a memória e aprendizagem.”

Apesar de não haver relatos de crises epilanãticas provocadas por sons que atingiram o hipocampo em seres humanos, Oliveira Pena aponta que os ratos que apresentam esse tipo de crises são um modelo experimental que se aproxima de outras formas de epilepsia em seres humanos. “Esse éo caso, por exemplo, das epilepsias refrata¡rias, onde as crises continuam a ocorrer mesmo quando o paciente faz uso de medicamentos”, diz. “O objetivo da pesquisa foi criar um modelo computacional que pudesse propor uma explicação do motivo dos neura´nios no hipocampo desses ratos serem diferentes dos animais sauda¡veis.

Modelo computacional

Para construir o modelo computacional, foi feita uma revisão da literatura cienta­fica, com o objetivo de apurar as informações mais recentes sobre a estrutura e a transmissão de impulsos nervosos nos neura´nios do hipocampo. “Tendo o modelo em ma£os, observou-se nos experimentos com animais que o sinal dos neura´nios audiogaªnicos era deficita¡rio em sinapses (contatos entre neura´nios que transmitem os impulsos nervosos) lentas”, conta o pesquisador. “Isto sugeriu que poderia estar ocorrendo problemas na comunicação dos dendritos mais distantes, que são as partes dos neura´nios que produzem sinais lentos”.

O modelo identificou que os dados experimentais poderiam ser explicados se a comunicação sina¡ptica inibita³ria dos dendritos mais distantes fosse reduzida. “Ao configurar o modelo com deficiências nos dendritos distantes, verificou-se que os resultados correspondiam realmente aos dados registrados nos experimentos”, relata Pena. “Isso significa que um esta­mulo muito intenso das vias auditivas pode fazer a crise epilanãtica se espalhar para o hipocampo ao inibir e prejudicar onívelde atividade dos neura´nios dessa área do cérebro”.

“A vantagem dos modelos computacionais éque eles permitem obter explicações e testar hipa³teses que hoje são impossa­veis de serem testadas experimentalmente”, aponta o pesquisador. ‘Como os neura´nios são células integradoras de sinais vindos de outros neura´nios, os modelos possibilitam reconstruir e entender os processos de integração da informação”, afirma. A segunda vantagem éque épossí­vel fazer uma sanãrie de simulações para serem testadas posteriormente com experimentação em animais. “Isto éimportante do ponto de vista da anãtica, pois não háproblema em testar quaisquer ideias em um computador. Quando a solução ideal para tais crises for encontrada, ela deve ser verificada em animais e posteriormente em seres humanos, em testes clínicos”.

Pena destaca que entender a estrutura por trás da geração e propagação de crises epilanãpticas abre caminho para o diagnóstico e proposição de tratamentos. “Agora que se sabe que a criação de deficiências nos dendritos mais distantes faz com que o modelo computacional se iguale ao experimento, qualquer proposta de tratamento pode ser testada rapidamente no computador”, ressalta. “Proposições que não se confirmem no modelo podem ser descartadas de imediato.”

A pesquisa foi realizada no Departamento de Fa­sica da FFCLRP e no Departamento de Fisiologia da FMRP, com a colaboração do professor Anta´nio Carlos Roque da Silva Filho, que integra com o pesquisador o Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) NeuroMat, iniciativa da Fundação de Amparo a  Pesquisa do Estado de Sa£o Paulo (Fapesp). Os estudos tiveram a colaboração dos professores Ricardo Maura­cio Lea£o e Norberto Garcia-Cairasco e dos pesquisadores Alexandra Olimpio Siqueira Cunha, Canãsar Celis Ceballos e Jaºnia Lara De Deus. O trabalho foi inteiramente desenvolvido no Brasil, com auxa­lio da Fapesp e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cienta­fico e Tecnola³gico (CNPq). Pena, assim como Ceballos e Jaºnia, após concluir o doutorado, tornou-se pesquisador nos Estados Unidos.

 

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