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Modelo simula propriedades de neurônios e testa tratamentos para epilepsia no computador

Publicado em 17 abril 2020

Por Júlio Bernardes | Joornal da USP

Um modelo computacional que poderá aprimorar o diagnóstico e o estudo de novas terapias para a epilepsia foi desenvolvido em pesquisa da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) e da Faculdade de Medicina de Ribeirão 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 neurônios (células que compõem o sistema) que podem estar por trás das crises epiléticas. O método permitirá 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 é descrito em artigo publicado na revista científica 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 neurônios entram em hiperatividade e hipersincronia. “Nesse caso, os pacientes apresentam crises que podem ser convulsivas ou não. Há muitas formas de gerar epilepsia, como lesões no cérebro causadas por acidentes, febres extremas, ou estímulos 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 espontânea e inesperadamente e apenas 5% são geradas por algum estímulo, 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 audiogênicos, que são animais geneticamente selecionados para terem crises epilépticas quando ouvem sons de alta intensidade. Normalmente, as crises epiléticas 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 epiléticas passam a afetar outras áreas do cérebro, como por exemplo, o hipocampo, que é uma área associada a memória e aprendizagem.”

Apesar de não haver relatos de crises epiléticas 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 é o caso, por exemplo, das epilepsias refratárias, 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 neurônios no hipocampo desses ratos serem diferentes dos animais saudáveis.

Modelo computacional

Para construir o modelo computacional, foi feita uma revisão da literatura científica, com o objetivo de apurar as informações mais recentes sobre a estrutura e a transmissão de impulsos nervosos nos neurônios do hipocampo. “Tendo o modelo em mãos, observou-se nos experimentos com animais que o sinal dos neurônios audiogênicos era deficitário em sinapses (contatos entre neurônios 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 neurônios que produzem sinais lentos”.

O modelo identificou que os dados experimentais poderiam ser explicados se a comunicação sináptica inibitória 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 estímulo muito intenso das vias auditivas pode fazer a crise epilética se espalhar para o hipocampo ao inibir e prejudicar o nível de atividade dos neurônios dessa área do cérebro”.

“A vantagem dos modelos computacionais é que eles permitem obter explicações e testar hipóteses que hoje são impossíveis de serem testadas experimentalmente”, aponta o pesquisador. ‘Como os neurônios são células integradoras de sinais vindos de outros neurônios, os modelos possibilitam reconstruir e entender os processos de integração da informação”, afirma. A segunda vantagem é que é possível fazer uma série de simulações para serem testadas posteriormente com experimentação em animais. “Isto é importante do ponto de vista da ética, pois não há problema 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 epilépticas 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 Física da FFCLRP e no Departamento de Fisiologia da FMRP, com a colaboração do professor Antônio Carlos Roque da Silva Filho, que integra com o pesquisador o Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) NeuroMat, iniciativa da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). Os estudos tiveram a colaboração dos professores Ricardo Maurício Leão e Norberto Garcia-Cairasco e dos pesquisadores Alexandra Olimpio Siqueira Cunha, César Celis Ceballos e Júnia Lara De Deus. O trabalho foi inteiramente desenvolvido no Brasil, com auxílio da Fapesp e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). Pena, assim como Ceballos e Júnia, após concluir o doutorado, tornou-se pesquisador nos Estados Unidos.

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