Forças físicas explicam as dobras do cérebro humano

Por Paula Borges Monteiro                                                                                                        Grupo de Estudos em Tópicos de Física – IFSC

Comparativo entre cérebro humano e modelo em origami

Comparativo entre cérebro humano e modelo em origami

O Cérebro humano possui um formato, no mínimo, curioso (Figura 1a)! Um desafio científico é explicar a origem de tal engenharia, que na Figura 1b é imitada usando-se a famosa arte japonesa: o origami. Você sabia que a causa desse aspecto enrugado do cérebro humano ainda não é conhecida? Sabe-se que a formação das dobras, ou seja, dos giros e sulcos presentes na camada externa do cérebro, o córtex, inicia-se na 23a semana de gestação estendendo-se até a idade adulta. Sabe-se ainda que esse mecanismo permitiu que tivéssemos um grande número de neurônios e que a distância entre eles fosse a menor possível. Contudo, uma explicação completa ainda está por vir, seja da Genética, da Biologia, da Química, da Bioquímica, da Neurogenética, da Filogenia ou mesmo da Física! Um novo passo nessa direção foi dado por um grupo de pesquisadores da Finlândia, dos Estados Unidos e da França. Em fevereiro deste ano, eles publicaram os resultados de seu trabalho na revista Nature Physics com o título “On the growth and form of cortical convolutions”. Eles apresentaram evidências experimentais para validar um modelo físico que explica a forma e o crescimento das dobras corticais no cérebro humano.

Um dos obstáculos no estudo da formação de giros e sulcos corticais é a ausência de um modelo experimental: outros mamíferos possuem diferentes estruturas cerebrais com mais ou menos dobras e o uso de cérebros humanos nesse tipo de estudo envolveria importantes questões éticas. O uso de materiais sintéticos é uma opção desde que o material tenha a capacidade de crescer. A Física da Matéria Condensada é um dos campos de pesquisa da Física e estuda as propriedades de materiais em fases condensadas como os sólidos e líquidos. Um subcampo é a Física da Matéria Mole, que lida, dentre esses materiais, com aqueles que são facilmente deformados. Inspirados no comportamento desses materiais, a equipe de cientistas desenvolveu um modelo com o uso de um gel que incha. Você já deve ter visto algumas bolinhas transparentes, geralmente vendidas em floriculturas ou lojas de decoração, que quando colocadas em água, aumentam de tamanho. O gel utilizado apresenta característica semelhante e, na presença de determinado solvente, ele expande o seu volume, mantendo a espessura sem significante alteração.

Os pesquisadores realizaram exames de ressonância magnética em um feto com 22 semanas e produziram uma imagem do cérebro em três dimensões que foi impressa em equipamento específico. O resultado foi utilizado para a produção de um molde negativo em silicone. Com o molde em mãos, o cérebro experimental foi montado com um material interno parecido com borracha e sua superfície coberta com o gel que possui a característica de crescer. Quando imerso em um solvente, a camada externa do gel começa a expandir em relação à parte interior, gerando forças mecânicas entre as camadas, que possuem “crescimentos” distintos. Esse movimento relativo induz a formação das dobras corticais. Esse processo é conhecido como instabilidade física no crescimento restringido, nesse caso, pela camada interna com características diferentes da externa. A camada exterior cresce em superfície, induzindo uma tensão que, quando atinge seu nível crítico, produz o enrugamento dessa camada. Apesar dos desafios matemáticos o modelo fornece excelentes resultados.

O modelo ainda não leva em consideração camadas exteriores à camada cortical como a meninge ou a parte óssea, importante para uma descrição completa. Porém, é um passo importante para o desenvolvimento de uma teoria robusta para a formação da estrutura cerebral em questão. A falha nesse processo é associada à má-formação que se caracteriza pela presença de pequenos múltiplos giros (polimicrogiria) ou ausência de giros normais (lisencefalia) que geram retardo mental e atraso de desenvolvimento, entre outras consequências. O entendimento do mecanismo contribuirá para o diagnóstico clínico e o tratamento de diversas desordens neurológicas.

O artigo original pode ser visualizado, clicando aqui.

O trabalho apresenta ainda um material suplementar, com o modelo físico mais detalhado e detalhes do método desenvolvido, além de dois filmes com a simulação experimental e teórica, respectivamente, em http://www.nature.com/nphys/journal/v12/n6/extref/nphys3632-s1.pdf; http://www.nature.com/nphys/journal/v12/n6/extref/nphys3632-s2.mov http://www.nature.com/nphys/journal/v12/n6/extref/nphys3632-s3.mov.

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