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Neurofísica

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A neurofísica (ou neurobiofísica) é o ramo da biofísica que se ocupa do desenvolvimento e da utilização de métodos físicos para obter informações sobre o sistema nervoso. É uma ciência interdisciplinar que utiliza a física e a combina com outras neurociências para compreender melhor os processos neurais.

Os métodos utilizados incluem as técnicas de biofísica experimental e outras medições físicas, como o EEG,[1] aplicados principalmente ao estudo de propriedades elétricas, mecânicas ou fluídicas, bem como abordagens teóricas e computacionais.[2] O termo "neurofísica" é uma aglutinação de "neurônio" e "física".

Entre outros exemplos, a teorização de potenciais de ação ectópicos em neurônios utilizando uma Expansão de Kramers-Moyal[3] e a descrição de fenômenos físicos medidos durante um EEG através de uma aproximação de dipolo[1] utilizam a neurofísica para melhor compreender a atividade neural.

Outra abordagem teórica distinta considera os neurônios como possuindo energias de interação do Modelo de Ising e explora as consequências físicas disso para várias topologias de árvore de Cayley e grandes redes neurais. Em 1981, a solução exata para a árvore de Cayley fechada (com loops) foi derivada por Peter F. Barth para uma razão de ramificação arbitrária[4] e verificou-se que exibia um comportamento de transição de fase incomum[5] em suas correlações locais e de longo alcance, sugerindo que a emergência de fenômenos cooperativos estruturalmente determinados e influenciados pela conectividade pode desempenhar um papel significativo em grandes redes neurais.

Técnicas de registro

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Antigas técnicas de registro da atividade cerebral utilizando fenômenos físicos já estão amplamente difundidas na investigação e na medicina. A Eletroencefalografia (EEG) utiliza a eletrofisiologia para medir a atividade elétrica no cérebro. Esta técnica, com a qual Hans Berger registrou pela primeira vez a atividade elétrica cerebral num ser humano em 1924,[6] é não invasiva e utiliza elétrodos colocados no couro cabeludo do paciente para registrar a atividade cerebral. Baseada no mesmo princípio, a eletrocorticografia (ECoG) requer uma craniotomia para registrar a atividade elétrica diretamente no córtex cerebral.

Nas últimas décadas, os físicos desenvolveram tecnologias e dispositivos para obter imagens do cérebro e da sua atividade. A técnica de Ressonância magnética funcional (fMRI), descoberta por Seiji Ogawa em 1990,[7] revela alterações no fluxo sanguíneo dentro do cérebro. Baseada na técnica de imagem médica existente, a Ressonância magnética (MRI), e na ligação entre a atividade neural e o fluxo sanguíneo cerebral, esta ferramenta permite aos cientistas estudar as atividades cerebrais quando estas são desencadeadas por uma estimulação controlada. Outra técnica, a Microscopia de excitação de dois fótons (2P), inventada por Winfried Denk (pela qual recebeu o The Brain Prize em 2015[8]), John H. Strickler e Watt W. Webb em 1990 na Universidade Cornell,[9] utiliza proteínas fluorescentes e corantes para obter imagens de células cerebrais. Esta técnica combina a absorção de dois fótons, teorizada pela primeira vez por Maria Goeppert-Mayer em 1931, com lasers. Atualmente, esta técnica é amplamente utilizada na investigação e frequentemente associada à engenharia genética para estudar o comportamento de um tipo específico de neurônio.

Teorias da consciência

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A consciência ainda é um mecanismo desconhecido e os teóricos ainda não chegaram a hipóteses físicas que expliquem totalmente os seus mecanismos. Algumas teorias baseiam-se na ideia de que a consciência poderia ser explicada pelas perturbações no campo eletromagnético cerebral gerado pelos potenciais de ação disparados durante a atividade cerebral.[10] Estas teorias são chamadas de Teorias eletromagnéticas da consciência. Outro grupo de hipóteses sugere que a consciência não pode ser explicada pela dinâmica clássica, mas sim pela Mecânica quântica e seus fenômenos. Estas hipóteses agrupam-se na ideia de Mente quântica[11] e foram introduzidas pela primeira vez por Eugene Wigner.

Prêmios

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Entre a lista de prêmios que recompensam neurofísicos pela sua contribuição para a neurologia e áreas afins, o mais notável é o The Brain Prize, cujos últimos laureados foram Adrian Bird e Huda Zoghbi pelo seu "trabalho pioneiro para mapear e compreender a regulação epigenética do cérebro e por identificar o gene que causa a síndrome de Rett".[12] Outros prêmios relevantes que podem ser atribuídos a um neurofísico são: o Prêmio NAS em Neurociências, o Prêmio Kavli e, em certa medida, o Nobel de Fisiologia ou Medicina. Pode-se notar que o Prêmio Nobel foi atribuído a cientistas que desenvolveram técnicas que contribuíram amplamente para uma melhor compreensão do sistema nervoso, tais como Erwin Neher e Bert Sakmann em 1991 pelo patch clamp, e também a Paul Lauterbur e Peter Mansfield pelo seu trabalho em Ressonância magnética (MRI) em 2003.

Ver também

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Bibliografia

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Referências

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  1. 1 2 Nunez, Michael; Nunez, Paul; Srinivasan, Ramesh (1 de janeiro de 2016), Electroencephalography (EEG): neurophysics, experimental methods, and signal processing, ISBN 9781482220971, pp. 175–197, consultado em 30 de junho de 2018
  2. ↑ «Process Philosophy». The Stanford Encyclopedia of Philosophy. [S.l.]: Metaphysics Research Lab, Stanford University. 2022
  3. ↑ Frank, T. D. (8 de janeiro de 2007). «Kramers–Moyal expansion for stochastic differential equations with single and multiple delays: Applications to financial physics and neurophysics». Physics Letters A (em inglês). 360 (4): 552–562. Bibcode:2007PhLA..360..552F. ISSN 0375-9601. doi:10.1016/j.physleta.2006.08.062
  4. ↑ Barth, Peter F. (1981). «Cooperativity and the Transition Behavior of Large Neural Nets». Burlington: University of Vermont. Master of Science Thesis: 1–118
  5. ↑ Krizan, J.E.; Barth, P.F.; Glasser, M.L. (1983). «Exact Phase Transitions for the Ising Model on the Closed Cayley Tree». North-Holland Publishing Co. Physica. 119A: 230–242. doi:10.1016/0378-4371(83)90157-7
  6. ↑ Haas, L (2003). «Hans Berger (1873–1941), Richard Caton (1842–1926), and electroencephalography». Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 74 (1). 9 páginas. ISSN 0022-3050. PMC 1738204Acessível livremente. PMID 12486257. doi:10.1136/jnnp.74.1.9
  7. ↑ Ogawa, S.; Lee, T. M.; Nayak, A. S.; Glynn, P. (1990). «Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields». Magnetic Resonance in Medicine. 14 (1): 68–78. ISSN 0740-3194. PMID 2161986. doi:10.1002/mrm.1910140108
  8. ↑ «Nokia Bell Labs: Neurophysics Research». www.bell-labs.com (em inglês). Consultado em 16 de novembro de 2020
  9. ↑ Denk, W.; Strickler, J.; Webb, W. (1990). «Two-photon laser scanning fluorescence microscopy.». Science. 248 (4951): 73–76. Bibcode:1990Sci...248...73D. PMID 2321027. doi:10.1126/SCIENCE.2321027
  10. ↑ McFadden, J. (1 de janeiro de 2013). «The CEMI Field Theory Closing the Loop.». Journal of Consciousness Studies: Controversies in Science and the Humanities (em inglês). 20 (1–2): 153–168. ISSN 1355-8250
  11. ↑ Swan, M., dos Santos, R. P.; Witte, F. (2022). "Quantum neurobiology". Quantum Reports, 4(1), 107-126. https://doi.org/10.3390/quantum4010008
  12. ↑ «Announcement of The Brain Prize 2020». Lundbeckfonden (em inglês). Consultado em 29 de outubro de 2020
  1. Nunez, Michael; Nunez, Paul; Srinivasan, Ramesh (01-01-2016), Eletroencefalografia (EEG): neurofísica, métodos experimentais e processamento de sinais , pp. 175–197, ISBN 9781482220971, recuperado 30/06/2018
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