Category Archives: Biology

Blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal

BOLD signal

BOLD fMRI is often used to measure the hemodynamic response resulting from changes in the oxygenation level in the blood vessels. Yet to be explained is the relationship between neuronal activity and the measured fMRI signal. In a seminal paper,  Ogawa et al., (1990) showed that blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) constitutes a natural contrast for fMRI that can be used to image brain function.

The BOLD signal does not directly reflect spiking activity of neurons, rather it is a metabolic-related signal that accompanies changes in neuronal activity. If BOLD increases in a certain brain region then it can be said that it reflects the processing of information by a local neuronal activity (including excitatory and inhibitory interneurons).

Currently it is thought that BOLD mainly correlates with vascular density and the number of synapses, and less with spiking activity of neurons (Logothetis and Pfeuffer, 2004). However, in response to external stimuli, both neuronal synaptic and spiking activity consume energy in the form of glucose that is supplied back through the blood stream. Energy consumption can also be expressed in terms of oxygen consumption (oxygen cerebral metabolic rate, CMRO2) that covaries with neuronal activity. Additionally, neuronal activity causes increased blood flow to the activated region (increased cerebral blood flow, CBF) and expansion of the blood vessels (increased cerebral blood volume, CBV). Oxygen is carried by the hemoglobin in red blood cells, which leads to a local oxygenated blood increase, with simultaneous decrease in deoxygenated blood.

While diamagnetic oxyhemoglobin blood has no interference with the magnetic field, paramagnetic deoxyhemoglobin induces local field inhomogeneities, reducing the BOLD signal. This magnetic property difference is what allows the identification and localization of the activated region. In fact, BOLD fMRI measures exactly the changes in local magnetic field inhomogeneities using the aforementioned EPI sequences (see  here) sensitive to these susceptibility differences (Logothetis and Pfeuffer, 2004).

The BOLD fMRI signal is characterized by the hemodynamic response function (HRF), assumed to be the response of the system to a brief and intense period of neural activity. The nature of the BOLD response determines the temporal sensitivity of fMRI. The HRF lasts for about 10 seconds (peaking at about 5 s) after stimulation (Figure 1).

HRF
Figure 1: Representation of the hemodynamic response function (HRF) to a stimulus event.
References

1. Ogawa, S., Lee, T.-M., Nayak, A. S. & Glynn, P. Oxygenation-sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fields. Magn. Reson. Med. 14, 68–78 (1990).

2. Logothetis, N. K. & Pfeuffer, J. On the nature of the BOLD fMRI contrast mechanism. Magnetic Resonance Imaging 22, 1517–1531 (2004).

Note: In fMRI , spatial resolution depends on various scanning parameters such as the field strength or the coil adequacy to the structure being imaged. Additionally, spatial sensitivity is also determined by the size of the voxel (an element on a three dimensional space grid) that it is used, which depending on the study can range from 1 mm to 3 mm. Depending on the area being scanned and its size, one voxel can contain a few million neurons and tens of billions of synapses. A single voxel’s response signal over time is called its time course.

License

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This article is part of the Introductory Chapter (Chapter 1) of A. Amaral’s doctoral thesis Functional MRI of stimulus interference on auditory processing in normal listeners and tinnitus patients available @ http://hdl.handle.net/10362/14989 

O folding de proteínas I

  Esta imagem é um trabalho derivado de: 1. LadyofHats derivative work: Gabby8228 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Main_protein_structure_levels_en.svg) [released into the Public domain], via Wikimedia Commons. *AND* 2. Zephyris: O <em>folding </em> de proteínas I at the English language Wikipedia [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.

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As proteínas…

Uma proteína é uma molécula resultante da ligação química – ligação peptídica – de vários aminoácidos. À sequência de aminoácidos que compõe esta cadeia polipeptídica (várias ligações peptídicas) chama-se estrutura primária.

Figura 1. Principais níveis de organização estrutural das proteínas. Esta imagem é um trabalho derivado de: 1. LadyofHats derivative work: Gabby8228 (Main_protein_structure_levels_en.svg) [Public domain], via Wikimedia Commons. *AND* 2. Zephyris at the English language Wikipedia [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.
Figura 1. Principais níveis de organização estrutural das proteínas.
Esta imagem é um trabalho derivado de: 1. LadyofHats derivative work: Gabby8228 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Main_protein_structure_levels_en.svg) [released into the Public domain], via Wikimedia Commons. *AND* 2. Zephyris: O <em>folding </em> de proteínas I at the English language Wikipedia [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.

A hélice-alfa (hélice-α) e a folha-beta (folha-β) constituem as configurações mais frequentes que a proteína pode apresentar. Estas configurações, juntamente com as interacções electrostáticas entre os átomos de oxigénio e os átomos de hidrogénio (ligações por pontes de hidrogénio), constituem as estruturas secundárias. As interacções entre as estruturas primária e secundária designam-se por estruturas terciárias. Por exemplo as interacções entre as estruturas hélice-alfa e folha-beta. A estrutura terciária constitui, em geral, a conformação tridimensional (3D) final de uma proteína – conformação nativa – à qual está associada uma função biológica específica. A estrutura quaternária consiste na interacção de estruturas terciárias que se juntam formando uma nova proteína. Por outras palavras, uma estrutura quaternária é ainda uma conformação final 3D composta por várias conformações finais 3D – uma proteína formada por várias proteínas. A hemoglobina (Figura 1.) é um exemplo de uma estrutura quaternária composta por quatro estruturas terciárias, quatro unidades proteicas (duas hélice-α e duas folha-β) e as correspondentes ligações por pontes de hidrogénio. As várias sub-unidades da hemoglobina  interagem originando uma conformação final específica e única, à qual está associada a sua função biológica. (Ler um pouco mais sobre hemoglobina…)

Afinal o que é o folding de proteínas?

Na realidade folding é a palavra inglesa para designar enrolar e dobrar. O folding de proteínas consiste no processo espontâneo de enrolamento e dobragem de uma sequência linear de aminoácidos. Este processo é determinado pela sequência de aminoácidos e das interacções existentes entre eles. Como foi referido acima, a estrutura 3D resultante é única, determina e define a sua função biológica…como o caso da hemoglobina.

Hum…função biológica? Hemoglobina? Isto sugere que estas estruturas específicas podem ser importantes…

Na realidade são muito importantes…sabe-se que podem ocorrer ‘erros’ durante o folding de uma proteína originando uma conformação que não corresponde à chamada conformação nativa. Como se pode antecipar, neste caso, a sua função biológica pode sofrer alterações com consequências significativas, como por exemplo no desenvolvimento e funcionamento de organismos. Voltando ao caso da hemoglobina: uma conhecida alteração de um aminoácido na sequência de aminoácidos, resultante de um ‘erro’ genético, é suficiente para causar uma alteração do processo folding desta proteína, dando origem a uma conformação diferente da conformação nativa. Esta modificação é suficiente para causar alterações da função biológica podendo originar doenças como é o caso da anemia falciforme. Neste tipo de anemia, o folding defeituoso (misfolding) da proteína causa uma alteração da forma das células hemácias, ou glóbulos vermelhos, que passam a ter a forma de foice (daqui o nome anemia falciforme), com eventuais consequências no bem estar do organismo afectado. Existem ainda casos em que uma produção anormalmente elevada de proteínas que ‘foldaram’ incorrectamente se depositam em tecidos ou órgãos. Desta situação pode resultar numa alteração do normal funcionamento (insuficiência) ou na total paragem da actividade dos tecidos ou orgãos. Este é o caso de um conjunto de diversas patologias designadas por amiloidoses (à proteína ‘misfolded’ chama-se amilóide). A proteína em causa e os órgãos e tecidos afectados definem os sintomas e o tipo de amiloidose em questão. Ler mais...

A Polineuropatia Amiloidótica Familiar ou Doença dos Pezinhos é um exemplo de uma amiloidose de transmissão genética, neste caso causada pela acumulação sistémica (pode afectar vários orgãos e tecidos, vários sistemas) de amilóides associadas à proteína transtirretina. Esta doença é também conhecida por Doença Corino de Andrade, nome do neurologista que primeiro a descreveu e identificou, nos anos 1950s. Nem todas as amoiloidoses têm uma origem hereditária como é o caso da amiloidose AL (primária), actualmente sem origem ou causas conhecidas, ou o caso da amiloidose AA (secundária), que se pode manifestar em pessoas com história de doença inflamatória ou infecciosa crónica prolongada (ex. artrite reumatóide). Uma ligação em inglês com bastante informação sobre as várias amiloidoses: http://www.amyloidosis.org.uk/ A manifestação da Doença de Alzheimer está sempre associada à acumulação de placas amilóide em certas regiões do cérebro. As causas da Doença de Alzheimer não foram ainda estabelecidas. Em particular, não é ainda conhecido se a formação das placas amilóide são causa ou consequência do desenvolvimento da doença.
 

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Figura 2. Mecanismos de doenças relacionadas com o ‘folding’de proteínas (em inglês).  Mechanisms of protein-folding diseases at a glance, Julie S. Valastyan and Susan Lindquist, Dis. Model. Mech. January 2014, doi: 10.1242/dmm.013474 vol. 7 no. 1 9-14. http://dmm.biologists.org/content/7/1/9.full

De referir ainda que certos tipos de cancro resultam especificamente de um incorrecto folding das proteínas codificadas pelos designados genes supressores de tumores, ou oncogenes (um pouco mais aqui),  em particular responsáveis pela regulação da divisão celular. Sob certas condições, uma pequena alteração genética pode desencadear a produção de proteínas defeituosas que, tendo a sua função biológica alterada (inactivada por exemplo), afecta os mecanismos de controle de divisão ou de morte celular.

 O folding de proteínas

Como foi referido acima, uma proteína apenas se torna funcional quando adquire a sua forma 3D (estrutura terciária). Esta estrutura terciária não se consegue determinar de forma simples, de modo que esta informação é conhecida para apenas cerca de 10% das proteínas. Das experiências levadas a cabo por Christian Anfinsen e os seus colegas, nos anos 60, observou-se que: 1. A proteína usada (ribonuclease) pode ser ‘desnaturada’ mudando o ambiente químico, ou apenas aquecendo a solução. 2. O processo de desnaturação pode ser revertido completamente apenas pela reintrodução da proteína no ambiente inicial ou apenas baixando a temperatura. Neste caso a proteína ‘folda‘ para o seu estado 3D natural e biologicamente funcional. Isto levou à construção da Hipótese Termodinâmica, e que valeu  a Christian Anfisen o Prémio Nobel da química em 1972 (Nobel Lecture) 1. O processo de folding ocorre de forma espontânea conduzindo a um estado nativo. O estado nativo corresponde ao estado mais estável ou de mais baixa energia, do ponto de vista termodinâmico. 2. A estrutura nativa da proteína é determinada pela sequência de aminoácidos e a totalidade de interacções entre os aminoácidos que a compõem.

Mas…qual é o problema do folding?

Uma questão central no folding de proteínas é saber como é que de uma sequência de aminoácidos como a estrutura primária passa à estrutura terciária, numa escala que pode variar do segundo ao pico-segundos. Cyrus Levinthal propôs que no processo de folding uma proteína colapsa para a sua estrutura nativa sem  efectuar uma passagem por todas as configurações possíveis. Esta afirmação baseava-se num simples resultado obtido a partir de uma experiência conceptual. Aqui, será ainda simplificada…(Ler mais…a versão apresentada por C. Levinthal) suponha-se que se tem uma pequena proteína composta por 100 aminoácidos e que cada aminoácido pode encontrar-se em apenas um de dois estados. O número de conformações possíveis acessíveis a uma cadeia de aminoácidos nestas condições é 2100≅ 1030. Considerando que a escala de tempo típica de uma vibração térmica é 1 ps, o tempo que levaria a experimentar o número total de configurações seria 1030  ps ≅ 4.0 × 1010 anos. Ora a idade do universo (estimada) é de cerca de 1.4 × 1010 anos de onde se depreende que a passagem para a estrutura nativa não pode implicar uma passagem por todos os estados possíveis de forma aleatória. Este problema ficou (e é!) conhecido como o paradoxo de Levinthal. Uma abordagem proposta por Levinthal passou por considerar que existem vários estados intermediários que constituem um caminho preferido (único) de folding. Aqui Levinthal propõe que o estado final nativo não corresponde ao estado de energia mais baixo do ponto de vista termodinâmico, ao invés corresponde ao estado de mais baixa energia mas de um ponto de vista cinético. A existência de estados intermediários demonstrou-se não ser necessária com a descoberta (1991) de um proteína que folda sem passar por nenhum estado intermediário. E agora?…Parece que as abordagens de Anfinsen e de Levinthal não se conciliam…O estado nativo corresponde ao estado mais estável ou de mais baixa energia, do ponto de vista termodinâmico ou cinético? A ‘procura’ deste estado é aleatória? Existirá um caminho único? Num próximo artigo falar-se-á de algumas abordagens que desde então têm sido consideradas na resolução do problema de folding. Entretanto, fica aqui a referência a dois projectos que podem ajudar a ‘pragmatizar’ o problema e formas de o tentar resolver: Folding@homeFoldit….e…

…talvez ajudar?

Importa referir que o estudo de um problema tão complexo e exigente como é o folding de proteínas não teria, e não seria, certamente possível sem o paralelo desenvolvimento da capacidade computacional das máquinas que hoje existem. (Será suficiente?…) Como uma das formas que podemos utilizar para ajudar a entender o processo de folding, e como este processo pode ‘falhar’ (misfolding), é recorrendo a métodos computacionais, talvez possamos ajudar o projecto  de computação distribuída Folding@home (wiki). ligação para o projecto: (en) https://folding.stanford.edu/ (pt) http://folding.stanford.edu/Portuguese/HomePage

O <em>folding </em> de proteínas I
Figura 3. Foldit. (http://fold.it/portal/).

Uma outra abordagem é adoptada pelo projecto Foldit (http://fold.it/portal/). Este projecto apresenta uma panóplia de puzzles que podem ser abordados por qualquer pessoa. O objectivo é ‘ajudar’o computador a aprender as  várias estratégias humanas individuais e utilizá-las no estudo do folding de proteínas. Figura 3. Foldit (http://fold.it/portal/).


Este post foi parcialmente motivado por um trabalho realizado no âmbito da cadeira de Física Computacional (com o meu colega Rui P.), leccionado pela Professora Patrícia Faísca, na Faculdade de Ciências de Lisboa (2006). Adicionalmente, o texto foi ainda inspirado em

Outras referências:

Op Op…. Opiliones!

As promised, here I am posting some more photos and videos taken in my backyard.

Op Op.... Opiliones!
1.Opilio canestrinii (?, help! 🙂 )

I would like to acknowledge already some information about the opiliones I found on the Web:

  1.  Wikipedia is a nice first reference but I encourage you to check other sources;
  2.  The OmniPaper Project constitutes a GREAT repository of information on Opiliones that you can find under the Aracnolab webpage, from Museu Nacional of Rio de Janeiro [1]. Thank you!;
  3.  A book that I’ve been using to read a bit more – Harvestman: The Biology of Opiliones [2].

At the bottom of this post you can find a few more references. Take it with a grain of salt! I am far from being an expert on this matter. I leave you with some general information that I collected from the aforementioned sources (mostly from the book).

Well, first of all keep in mind that opiliones are not harmful to men at all! They are cute and harmless! Great! The Opiliones order are the third-largest group in the arachnids, after the Acari (mites and ticks) and Araneae (spiders). There are a few thousand of different species of opiliones and four suborders (Laniatores, Eupnoi, Dyspnoi and Cyphophthalmi). Apparently they tend to be more active during the night, I guess it explains why I also saw them mostly the end of the day. I’ve read that there is evidence that some species are inefficient in avoiding water loss. It seems that this can be correlated with being more active during the night. Opiliones’ predators can be found among birds, frogs, toads, insectivore mammals and spiders.

Sensory wise… 🙂 They have a pair of eyes (there are some eyeless species), oriented to the side, but they are unable to form images. Opiliones explore the environment using the tips of their second pair of legs that functions like an antenna. I think you can see this behavior in video 1.

 

Most species are omnivores. Opiliones may eat plants, fungi and small invertebrate. Unlike most arachnids they do not suck their preys’ liquefied tissue. They chew the food by ingestion of small pieces of it. Video 2 has a detail where you can see the opilio using its fangs to cut small particles of the biscuit.

Video 2

Defensive strategies: Some respond to predator attacks by feigning death (thanatosis). Bobbing, which consists in vibrating the body making hard the identification of the exact location of the body, is also used by many species particularly the ones with long legs. Opiliones can lose one of the legs (autotomy), which continuously keep twitching after it is detached. This is because there are pacemaker neurons located in the femur that become active with any change that breaks the communication between CNS (central nervous system) and these cells (as amputation, damage to the cells…). The twitching has been hypothesized to function as defense mechanism by keeping the attention of a predator while facilitating an escape. In spite of this benefit it also has costs: mobility, foraging abilities and sensory perception can be reduced. [2] The opilion in video 1 has lost two legs on its right side. I suspect that while it is using one of its left leg to check the environment, this ability is reduced on the right.

2. Female of 1 (? ...help! :) )
2. Female of 1 (? …help! 🙂 )

Opiliones have a pair of prosomatic (anterior to the prosoma or cephalothorax that comprises the head and torax) defensive scent glands (ozopores) that secrete a peculiar smelling fluid when disturbed. This chemical defense seems to be effective in repelling some predators. [3] The great majority of opiliones reproduce sexually (some species reproduce asexually by parthenogenesis).

Interestingly, the opiliones may have been the first group of arthropods to evolve an intromittent organ. Parental care may take many forms: chose of oviposition sites or preparation of nests. Although maternal care is widespread among arachnids, Opiliones are the only order in which some species preserve exclusive parental care.[2]

There is more specific info about the opiliones’ CNS which i would like to understand better and I’ll try to come back to this in the future. Help to identify the species from the photos is most welcome…also to the one in the previous post which seems a short (or shorter) legged one.

 

References:

[1] Kury, A.B. (1999-2010) Aracnolab – Aracnologia MNRJ. Museu Nacional/UFRJ website. Online at: http://www.museunacional.ufrj.br/mndi/Aracnologia/aracnol.htm

[2] Harvestmen: the biology of Opiliones, edited by Ricardo Pinto-da-Rocha, Glauco Machado, Gonzalo. Giribet, Harvard University Press, ISBN 0-674-02343-9 http://books.google.ch/books?id=pbdpSKHkKDIC&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false

[3] http://ecologia.ib.usp.br/opilio/pdf/Machado%20et%20al.%20%282005%29.pdf [#] Another book that looks interesting: Harvestmen: Keys and Notes for the Identification of the Species, By Paul D. Hillyard, John H. P. Sankey http://books.google.ch/books?id=2PcUAAAAIAAJ&printsec=frontcover&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false [#] http://ecologia.ib.usp.br/opilio/opilio.html