Redes em loop são frequentemente encontradas na natureza - por exemplo, nas veias de uma folha de ficus sagradoConsidere os padrões sutis de ramificação em uma folha de uma árvore ou na asa de uma libélula, e você verá redes complexas que consistem em laços aninhados. Tais padrões podem ser encontrados em toda parte, tanto na natureza quanto nas estruturas feitas pelo homem: na vasculatura do cérebro, no micélio, na forma intrincada de um muco alimentador e nos ramos metálicos da Torre Eiffel.
A arquitetura de rede, incluindo loops - como redes de computadores redundantes ou redes elétricas - a torna resistente a danos.
Marcelo Magnasco, físico da Universidade Rockefeller, destaca que a Torre Eiffel é um exemplo óbvio de uma construção em loop projetada para distribuir a carga o mais uniformemente possível em sua estrutura recursiva. Surpreendentemente, sabemos muito pouco sobre por que redes de veias foliares ou vasos sangüíneos corticais são organizados da mesma maneira.
Redes em loop nas asas da libélula os tornam resistentes a danos"Para nosso desgosto, sabemos muito sobre a física dos compostos entre entidades", diz Magnasco sobre sistemas circulatórios simples. - E, no entanto, não entendemos o sistema como um todo. Não sabemos por que eles se parecem com isso ou por que cada árvore é diferente das demais ".
Nos últimos anos, Magnasco e outros cientistas começaram a explorar a razão pela qual esses padrões são muito comuns na natureza. Estudos sobre o suprimento de folhas e sangue ao cérebro confirmaram que os loops aninhados criam uma estrutura resistente a danos que pode lidar com as flutuações no fluxo de fluidos. Agora, os cientistas estão começando a avaliar numericamente as propriedades dessas redes, ter uma idéia de suas principais características, como estabilidade, e também entender como comparar essas redes da maneira mais informativa possível.
"As plantas são sistemas impressionantes de pesquisa física porque são matematicamente bonitas", diz
Eleni Katifori , física do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização, trabalhando com Magnasco. Segundo ela, as plantas crescem iterativamente e frequentemente exibem uma estrutura semelhante aos cristais, que pode ser encontrada em exemplos como cones ou uma flor de um girassol. "Esperamos que, ao entender a arquitetura das veias, possamos entender melhor a eficácia fotossintética das plantas".
Compreender a estrutura das veias pode lançar luz sobre o sistema circulatório muito mais complexo da superfície do cérebro e ajudar a entender a relação entre a atividade cerebral e o fluxo sanguíneo. Essa conexão ainda não está clara, mas, graças a ela, é possível realizar imagens de ressonância magnética funcional, um dos métodos mais populares para obter imagens cerebrais.
Rotular essas redes pode ajudar a identificar partes do cérebro que são particularmente suscetíveis a derrames, além de entender o papel do fluxo sanguíneo na doença de Alzheimer e em outras doenças cognitivas. "Imagine como olhamos para um cérebro doente e tentamos determinar se algum desses parâmetros fundamentais mudou, e como isso pode estar relacionado ao desenvolvimento da doença", diz
David Boas , físico do Hospital de Massachusetts em Boston.
A lesma de Physarum polycephalum forma redes em loop ao procurar comidaComo os sistemas circulatórios podem ser representados como uma rede de tubos conectados e os fluxos de fluidos podem ser calculados graças a equações conhecidas há muito tempo, os físicos podem modelar facilmente redes simples como veias nas folhas das árvores. Ao estudar esses sistemas, Magnasco espera entender por que as veias têm tamanho e ângulos de conexão e como estruturas de diferentes escalas funcionam juntas em uma rede.
Magnasco diz que os métodos de análise de rede fáceis de visualizar podem ser aplicados a redes biológicas mais difíceis de modelar - digamos, a redes da web de interações de genes e proteínas ou a redes neurais do cérebro. As folhas são "um bom objeto de pesquisa porque não têm dificuldades inerentes a outras redes", diz Magnasco.
Como construir uma planilha
Quando se torna necessário construir uma rede eficaz, a evolução precisa considerar dois fatores: o custo de construção e o custo de operação da rede. No caso de embarcações, isso significa o custo de criar veias e bombear fluidos através delas. O mais barato é operar com uma estrutura de árvore simples, que pode ser encontrada em plantas antigas. Essa estrutura, embora eficaz, não é muito estável. Se a conexão estiver danificada, parte do sistema
sofre perda de fluido e morre .
Para entender a topologia da arquitetura da veia, Katifori e Magnasco construíram um modelo de rede simples, tentando
descobrir suas propriedades básicas . Eles modelaram veias (xilema) na forma de uma rede de tubos com diferentes pressões e fluxos. Eles tentaram responder à pergunta: como, com um número limitado de tubos, eles deveriam ser distribuídos para minimizar a queda de pressão e tornar o sistema o mais resistente possível a danos? No mundo real, "a folha da qual o inseto arrancou continua a funcionar", diz Katifori.
Eles descobriram que a arquitetura de loops hierarquicamente aninhados - ou seja, loops dentro de loops dentro de loops - é mais resistente a danos do que outros. "Os loops acrescentam redundância à rede", diz Katifori. "Em caso de dano, a água pode ser redirecionada por outros canais." As estruturas obtidas pelo modelo
publicado na revista PLoS ONE parecem muito semelhantes a algumas folhas.
Os vasos sanguíneos na superfície do córtex do roedor formam redes em loop, o que permite que o sangue alcance rapidamente qualquer área, mesmo após pequenos danosFotos surpreendentes de fluido fluorescente fluindo sobre folhas danificadas ajudaram os pesquisadores a descrever quantitativamente como a água flui ao redor do local do dano. Uma folha de um Ginkgo biloba (Ginkgo bilŏba), uma planta evolutivamente antiga com uma estrutura de árvore em vez de uma estrutura em loop, não pode se orgulhar dessa resistência.
Os pesquisadores também descobriram que as redes em loop lidam melhor com as flutuações na circulação de fluidos à medida que as condições ambientais mudam.
Katifori e Mgnasco agora modelam redes de loop adaptáveis que evoluem em resposta a mudanças nas condições. Tais processos podem ocorrer em fungos, alguns tipos de fungos e até no sistema circulatório em desenvolvimento de animais. Por exemplo, o muco em busca de comida muda constantemente de forma, estica dedos longos, geralmente na forma de redes em loop. Em um experimento incrível, os pesquisadores japoneses
cultivaram um muco em uma superfície pontilhada de aveia espalhada pelas cidades ao redor de Tóquio. Como resultado, o lodo cresce em uma rede em loop semelhante a um sistema ferroviário eficiente da cidade.
Marcação de vasos sanguíneos
A circulação sanguínea eficaz é necessária para o funcionamento do cérebro, que não possui mecanismos de conservação de energia: os neurônios eletricamente ativos devem ser alimentados rapidamente. Como resultado, o cérebro está envolvido na regulação precisa do fluxo sanguíneo e aumenta a entrega de sangue para as áreas em necessidade. "Esse ajuste preciso do fluxo sanguíneo é muito local, muito menor que as dimensões em milímetros", diz
Bruno Weber , neurocientista da Universidade de Zurique.
Mais de uma década atrás,
Daffyd Kleinfield , físico e neurocientista da Universidade da Califórnia, em San Diego, e colegas descobriram que eram capazes de rastrear a circulação sanguínea em capilares individuais do cérebro de roedores. Eles descobriram que o fluxo sanguíneo às vezes muda de direção, o que fala em favor de uma estrutura vascular em loop. "Havia uma dica de que o sistema circulatório seria mais interessante do que eu pensava no começo", diz Kleinfield.
No mapa dos vasos sanguíneos no córtex cerebral do roedor, o loop da rede é visível. Observa-se também que a arquitetura dos vasos sanguíneos não corresponde à neuroanatomia (cones amarelos e laranja)Há alguns anos, a equipe de Kleinfield descobriu que o sistema circulatório superficial do córtex somatossensorial, a parte do cérebro que se ativa quando o animal usa bigode para se orientar no espaço, está organizado na forma de
laços interconectados aleatoriamente . Isso permite que o sangue se aproxime de uma determinada área de todas as direções, o que fornece aos neurônios o alimento necessário. "Se os loops forem conectados aleatoriamente em uma rede bidimensional, o sangue poderá se aproximar radialmente da área eletricamente ativa", diz Kleinfield.
Em 2010, os pesquisadores
marcaram uma rede de vasos que cobrem a superfície do
neocórtex em ratos e camundongos, a camada externa do córtex cerebral. "Suspeitamos que ele formou uma rede de malha, então enchemos o sistema circulatório e marcamos a superfície", diz Kleinfield. "A maioria dos navios formou uma arquitetura de loop". Os cientistas suspeitavam que a rede apresentasse algum nível de redundância, mas a equipe de Kleinfield alcançou um novo nível de detalhe. "Fomos os primeiros a marcar tudo e chegar perto da topologia - descrever numericamente a rede e usá-la para calcular fluxos", diz Kleinfield.
Ganges Delta forma rede complexa de loopingOs pesquisadores usaram esse cartão de conectividade para simular uma situação em que um navio na rede está bloqueado. Tanto no modelo como no cérebro real, o bloqueio de um vaso em uma grade bidimensional não teve um efeito particular. O sangue simplesmente flui através de outros vasos. Esse achado é apoiado pela prática clínica: nunca ocorrem derrames na superfície do cérebro. "Achamos que é porque funciona assim", diz Kleinfield.
Então Kleinfield e seus colegas foram às profundezas do cérebro, estudando a rede de vasos sanguíneos que alimentam os neurônios do córtex somatossensorial. Em um
artigo publicado na revista Nature Neuroscience, os pesquisadores mostraram que os capilares formam uma rede contínua. "Isso significa que microvasos, capilares, estão interconectados", diz Kleinfield. "Não há sites com embarcações isoladas, ou seja, aldeias fechadas, se você usar a analogia com imóveis".
Os pesquisadores usaram uma abordagem de mecanismos estatísticos chamada “teoria dos grafos” para descobrir por que os navios formam redes nas quais exatamente três arestas convergem em cada vértice - isso foi observado anteriormente em laboratório (os vasos desempenham o papel de arestas). O colega de Kleinfield, físico Harry Suhl, da Universidade da Califórnia, San Diego, mostrou que esse esquema é particularmente robusto. "Especialmente comparado a gráficos em que o número de arestas no topo não é fixo, como é o caso na Internet", diz Kleinfield.
Como no caso da rede de superfície, o bloqueio do fluxo sanguíneo nos capilares praticamente não afeta o funcionamento da rede - o sangue simplesmente segue um caminho diferente. No entanto, o bloqueio de um vaso penetrante da superfície do córtex para o cérebro ocorre com sérias conseqüências. O fluxo sanguíneo é bloqueado e o tecido cerebral circundante morre. Os vasos penetrantes são bloqueados porque não formam laços, mas Kleinfield suspeita que a arquitetura forneça maneiras eficazes de redistribuir o sangue por certas vias do cérebro.
Redes em loop também são encontradas em animais marinhos, por exemplo, neste coral gorgonianoO que isso significa clinicamente ainda não está claro. Os neurocientistas não relatam derrames que ocorreram devido ao bloqueio dos vasos penetrantes, mas isso ocorre apenas porque os vasos são pequenos demais para serem examinados usando dispositivos de imagem convencionais, e é improvável que apenas eles possam causar sintomas. No entanto,
Geert Jan Biessels , neurocientista do Centro Médico da Universidade de Utrecht, diz que novas e mais poderosas tecnologias de imagem cerebral tornam possível detectar lesões muito pequenas, embora ainda não tenham essa permissão, para ver vasos penetrantes individuais . Ele acrescenta que os dados da autópsia mostram que esses micro-ataques "podem ser um sinal importante de declínio cognitivo e demência vários anos antes da morte".
Loops no cérebro
Tendo adquirido novas ferramentas para marcar o sistema circulatório sanguíneo do cérebro, a equipe Kleinfield planeja estudar como o sistema circulatório do cérebro difere em roedores com certas mutações ou de outras espécies. "Agora podemos começar a estudar os vários sistemas circulatórios e determinar por que eles são do jeito que são", diz Kleinfield.
Um estudo preliminar de camundongos sem proteína, responsável pelo reconhecimento de oxigênio, revela estruturas radicalmente alteradas: diferentemente dos animais comuns, os camundongos mutantes não possuem uma rede bidimensional de vasos na superfície do cérebro. "Existe apenas uma estrutura tridimensional", diz Kleinfield. "É como
a máquina de Roub Goldberg , composta por pequenos tubos".
Weber e Kleinfield estão trabalhando juntos em um projeto para marcar todo o sistema circulatório no cérebro de ratos, financiado pelo projeto europeu "
The Human Brain Project ". Weber diz que este mapa permitirá a construção de modelos mais precisos e fornecerá a base para alcançar o objetivo de construir um mapa cerebral completo. Também permitirá que os pesquisadores descubram se certas partes do cérebro são suscetíveis a derrames (por exemplo, o
estriado , que está planejando a atividade motora) devido à fraca relação do sistema circulatório.
Os pesquisadores também estão começando a estudar os sistemas circulatórios de outras partes do corpo. Lance Munn, biólogo do Hospital Geral de Massachusetts, diz que a maioria dos tecidos apresenta redundância significativa na forma de alças. "Por exemplo, na pele, essas alças fornecem caminhos alternativos para o sangue em caso de dano - o sangue pode" circular "a área para chegar ao tecido localizado" a jusante "dos vasos danificados", diz ele. Mans estuda as propriedades dos vasos sanguíneos em tumores nos quais cresce uma rede desenvolvida de vasos que alimentam tecidos cancerígenos. Uma classe popular de medicamentos,
inibidores angiogênicos , interrompe o crescimento de tumores, interferindo na formação de novos vasos.
Kleinfield usa ferramentas desenvolvidas para estudar circuitos sanguíneos para estudar redes neurais no
tronco cerebral , por exemplo, loops sensório-motores que controlam o movimento de bigodes em ratos e obtêm informações. Embora "os próprios sistemas circulatórios sejam interessantes", diz Kleinfield, eles também servem como "um aquecimento para estudar o sistema nervoso".