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A emoção que a música contém

Este sistema bimodal foi desenvolvido no âmbito de um projeto financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) do qual resultaram as teses de doutoramento de Renato Panda e Ricardo Malheiro, sob orientação do professor Rui Pedro Paiva.

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Já há um programa informático que reconhece automaticamente a diferença entre músicas alegres e tristes, tensas e melancólicas. Foi criado por uma equipa de investigadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e pode vir a ser aplicado em diversas indústrias – desde entretenimento e videojogos a marketing e publicidade ou mesmo na área da saúde.

Genericamente, estamos perante um sistema informático bimodal inovador que junta informação textual e acústica, obtida através de tecnologias de inteligência artificial, machine learning, processamento de sinal áudio e processamento de linguagem natural, para classificar as músicas com base no seu conteúdo emocional, ou seja, detetar e entender as emoções contidas na música.

Este sistema bimodal foi desenvolvido no âmbito de um projeto financiado pela Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) do qual resultaram as teses de doutoramento de Renato Panda e Ricardo Malheiro, sob orientação do professor Rui Pedro Paiva.

Tendo em conta que identificar a emoção é um processo extremamente complexo e subjetivo, os investigadores tiveram de superar vários desafios até chegarem a um protótipo fiável, que permitissem juntar num único sistema informático duas abordagens distintas: a análise do som e a análise da letra.

Renato Panda focou-se no reconhecimento de emoções musicais com base em sinais de áudio. Com recurso a técnicas de análise da onda sonora, em que é possível extrair caraterísticas musicais com relevância emocional, como, por exemplo, a tonalidade ou o tempo, o investigador criou descritores acústicos explorando oito dimensões musicais: melodia, harmonia, ritmo, dinâmica, tom, expressividade, textura e forma musical.

Em seguida, para testar e validar a eficácia desta abordagem no reconhecimento de emoções, foi construída uma base de dados pública (disponível em mir.dei.uc.pt, que pode e deve ser usada por outros investigadores da área) contendo 900 músicas. Os algoritmos inteligentes desenvolvidos mapearam as músicas e classificaram as emoções presentes em cada uma delas.

Por seu lado, Ricardo Malheiro explorou a informação textual das letras das canções. Usando técnicas de processamento de linguagem natural, criou atributos estilísticos, semânticos, etc., com relevância emocional que possibilitassem o estudo da relação entre as letras e as emoções. Foi possível encontrar combinações de palavras que correspondem a uma música triste, romântica ou alegre.

Ambos os estudos foram desenvolvidos a partir do modelo circumplexo da emoção de Russell, um modelo psicológico que assenta em dois eixos: horizontal (valência) e vertical (ativação) – a valência relaciona-se com o tipo de emoção, positiva ou negativa, e a ativação com a energia presente na música.

«Se pensarmos que a música tem um impacto socioeconómico muito relevante, este tipo de sistemas é muito vantajoso, já que permite pesquisas automáticas avançadas adequadas às exigências dos utilizadores», destaca Rui Pedro Paiva.

Serviços como o Spotify (serviço de streaming de música, podcast e vídeo) ou Pandora (serviço de rádio streaming) «terão muito a ganhar com sistemas de reconhecimento automático de emoções na música, permitindo gerar rapidamente playlists adequadas a cada contexto emocional desejado, por exemplo, uma festa ou prática de exercício físico», especifica o especialista em reconhecimento de emoções musicais da FCTUC. Mas não só. «Este sistema poderá ser aplicado no cinema ou na publicidade, tornando muito mais fácil a elaboração de uma banda sonora adequada ao tema de um filme ou a procura de músicas específicas para captar os clientes desejados», acrescenta.

Outra aplicação possível é na área da saúde. Sabendo-se que a música tem o potencial de induzir emoções em quem a ouve, este sistema poderá ser aplicado, por exemplo, na musicoterapia.

A classificação de emoções em música através do computador é uma área de investigação muito recente, com várias possibilidades em aberto e espaço para melhorias. Nesse sentido, Rui Pedro Paiva esclarece que o sistema desenvolvido «ainda carece de melhorias, nomeadamente ao nível de precisão, para que possa entrar no mercado real. Queremos realizar mais testes e explorar outras possibilidades como, por exemplo, avaliar a variação das emoções ao longo de uma música».

Cristina Pinto © 2019 – Ciência na Imprensa Regional / Ciência Viva

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Medicina

Método de imagiologia por ressonância magnética fornece visão sem precedente da rede de ligações cerebrais

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Fiber composition of the human corpus callosum F Aboitiz, AB Scheibel, RS Fisher, E Zaidel Brain Research, 598: 143-153, 1992 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0006-8993(92)90178-C

A rede de ligações internas do cérebro é composta por milhares de milhões de fibras nervosas chamadas axónios. A grossura dos axónios – entre outras propriedades – tem um impacto significativo sobre a forma como eles conduzem os sinais nervosos, e portanto sobre a velocidade global de processamento tanto dos neurónios como das áreas cerebrais interligados. Além disso, sabe-se que muitas doenças neurodegenerativas, tais como a esclerose múltipla e a doença de Alzheimer, bem como o cancro, os traumatismos cerebrais e os acidentes vasculares cerebrais, apresentam lesões ao nível dos axónios.

Claramente, os axónios são cruciais para o funcionamento do cérebro. Mas também são bastante misteriosos. São tão finos (têm apenas uns mícrons de diâmetro) que a ideia de os estudar de forma não-invasiva no interior de um cérebro vivo tem sido, até aqui, impraticável.

Um novo estudo, realizado em colaboração por cientistas da Escola de Medicina Grossman da Universidade de Nova Iorque, do Centro Champalimaud em Portugal e da Universidade de Cardiff, no Reino Unido, descreve uma nova forma de medir esses microscópicos fios utilizando a imagiologia por ressonância magnética (IRM). O estudo foi publicado na revista eLife.

Mergulhar na matéria branca

Qual foi o avanço que levou a equipa a ultrapassar este desafio de longa data? Jelle Veraart, primeiro autor do estudo, explica que a chave foi encontrar uma maneira de distinguir dois tipos de sinais: os que têm origem no interior dos axónios e os que surgem no tecido envolvente.

A IRM funciona principalmente através da detecção de sinais vindos das moléculas de água, que constituem cerca de 80% do cérebro humano. Mas tanto o interior dos axónios como o tecido circundante têm água. Foi por isso que nós, no Grupo de Biofísica da IRM da Escola de Medicina Grossman da Universidade de Nova Iorque, desenvolvemos um método que suprime preferencialmente o sinal em todo o lado excepto nos axónios. Especificamente, modelizámos a forma como o sinal da água se comporta em diferentes partes dos tecidos. E a seguir, medimos as propriedades dos axónios na amostra utilizando o sinal residual, que correspondia só à água dos axónios“, explica Veraart.

Porém, os modelos permanecem teóricos enquanto não forem validados. Portanto, a equipa testou o modelo utilizando aparelhos pré-clínicos de ultra-alta resolução de IRM e microscópios do Centro Champalimaud. Uma vez o modelo validado utilizando esta tecnologia e esta metodologia de ponta, os cientistas passaram para a fase seguinte: a aplicação aos seres humanos. “Realizámos esta fase em colaboração com Derek Jones, do Centro de Estudos do Cérebro por Imagiologia da Universidade de Cardiff, que possui equipamentos de IRM especiais e suficientemente potentes para gerar sinais com a robustez necessária neste tipo de medições“, diz Veraart.

Os resultados do método foram notáveis. Ao passo que estudos anteriores tinham fornecido valores 10 vezes maiores do que o diâmetro real (conhecido de antemão) dos axónios medidos, desta vez os cientistas obtiveram medições dessa mesma propriedade cuja exactidão não tem precedente: os erros foram de apenas 10 a 15%.

Qual era a fonte destes erros? “Nós fazemos as medições em áreas de ‘matéria branca’, assim chamada porque é principalmente composta de axónios, que são quase brancos. Num milímetro cúbico de tecido, há dezenas de milhares de axónios. As nossas medições estimam uma métrica média de todos os axónios e tendem a ser dominadas pelos axónios de maior diâmetro presentes na amostra de tecido“, explica Dmitry Novikov, da Escola de Medicina Grossman da Universidade de Nova Iorque. “Além disso, há outras características do tecido que podem parecer axónios nos nossos sinais, tais como os ‘ramos’ de outro tipo de células cerebrais chamadas astrocitos.”

Com o modelo já validado, os cientistas estão a pensar nas próximas etapas. “A quantificação in vivo do diâmetro dos axónios por IRM abre o caminho a uma nova linha de investigação“, diz Noam Shemesh, do Centro Champalimaud. “A IRM é não-invasiva e pode ser utilizada com segurança para realizar estudos que monitorizam mudanças nos axónios ao longo de grandes períodos de tempo. Quanto mais aprendermos sobre estas estruturas, mais perto estaremos de perceber como o cérebro funciona em condições normais e de doença.”

Este estudo põe em relevo a importância da investigação colaborativa“, acrescenta Veraart. “Graças a este resultado do trabalho prolífico da nossa equipa internacional, temos a história toda – do desenvolvimento teórico de uma nova técnica à validação experimental em animais e, por último, à translação para humanos.”

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Ciência

Árvores tropicais são “cápsulas vivas” da história da humanidade

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Em um novo artigo publicado na revista Trends in Plant Science, uma equipe internacional de cientistas apresenta o uso combinado de dendrocronologia (ciência que estuda os anéis de crescimento de árvores), datação por radiocarbono e análises isotópicas e genéticas como um meio de investigar os efeitos das atividades humanas nas florestas e na dinâmica de crescimento de árvores tropicais. O estudo apresenta mostra a aplicabilidade desses métodos para investigar influências humanas nos períodos pré-históricos, históricos e industriais em florestas tropicais ao redor do mundo, e mostra o potencial de detectar a evolução das ameaças antropogênicas, informações que podem informar e orientar as prioridades de conservação nessas áreas que estão rapidamente desaparecendo do planeta.

Liderado por cientistas do Instituto Max Planck da Ciência da História Humana e do Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia (INPA), além dos Institutos Max Planck de Biogeoquímica e da Biologia do Desenvolvimento, o estudo mostra que as árvores tropicais armazenam registros das mudanças das populações humanas e suas práticas de manejo, incluindo atividades que acabaram por levar a uma “domesticação” de paisagens tropicais. O estudo promove um diálogo entre vários campos de pesquisa para garantir que as árvores tropicais sejam reconhecidas por seu papel nos ecossistemas culturais e naturais.

Florestas tropicais como antigos centros de ação humana

As florestas tropicais, há muito consideradas barreiras à migração humana, experimentações agrícolas e a formação de densas populações sedentárias, são consideradas ‘Desertos Verdes’ no contexto de atividades humanas passadas. No entanto, nas últimas duas décadas, diversas pesquisas de diferentes áreas vêm mostrando extensas evidências da domesticação de plantas e animais, incluindo manejo florestal, alterações na paisagem e translocação deliberada de espécies selvagens por sociedades humanas antigas.

O colonialismo ocidental e a expansão do capitalismo global resultaram em novos impactos humanos nesses ambientes, com as decisões dos consumidores na Europa impulsionando o desmatamento e a exploração de recursos tropicais, como fazem até hoje. É essencial compreender como diferentes sociedades, sistemas econômicos e organizações administrativas mudaram as florestas tropicais, se quisermos desenvolver adequadamente políticas de conservação sustentável.

No entanto, os registros dos impactos humanos nos ecossistemas tropicais são frequentemente difíceis de encontrar. “Surpreendentemente, toda essa história negligenciou algumas das maiores e mais antigas testemunhas que as florestas tropicais têm a oferecer: suas árvores”, diz Victor Caetano Andrade, principal autor do estudo no Instituto Max Planck para a Ciência da História Humana. “Escavações arqueológicas e análises arqueobotânicas levaram a grandes avanços no reconhecimento sobre o passado da vida humana nos trópicos, mas as próprias árvores que estão ao lado das escavações também têm algo a dizer”, continua ele.

Anéis de árvores – uma estratigrafia viva

O estudo de anéis de árvores tem sido frequentemente usado em ambientes temperados para criar uma imagem de como as mudanças climáticas e as atividades humanas alteraram as florestas. No entanto, esse trabalho tem sido limitado nos trópicos, devido à percepção de que a falta de sazonalidade limita a formação dos anéis de crescimento. Como observam os autores, no entanto, hoje já foi demonstrado que mais de 200 espécies de árvores tropicais formam anéis anuais. Isso abre uma nova avenida para a exploração das mudanças nas condições das florestas tropicais no passado.

A contagem de anéis de árvores pode, juntamente com a datação por radiocarbono, produzir cronologias robustas de alta resolução ou ‘estratigrafias’ do crescimento de cada árvore. Mudanças no tamanho dos anéis de crescimento identificados em várias árvores na mesma floresta podem fornecer um indicador de mudanças bruscas nas condições ambientais naquele local. Além disso, esses anéis podem ser analisados quimicamente para investigar como as condições climáticas mudaram ao longo do tempo e como essas mudanças se correlacionam com o crescimento das árvores. Onde não é visível uma forte correlação entre clima e crescimento, a porta se abre para outras possíveis explicações, dentre elas a atividade humana.

Como Victor Caetano Andrade coloca: “Existem algumas espécies de importância especial para os seres humanos, por exemplo, árvores alimentícias ou árvores usadas para um fim específico. Nesses casos, é provável que os humanos adotaram práticas de manejo florestal, como limpar o sub-bosque, abrir a floresta e proteger ativamente árvores individuais. Por outro lado, outras espécies podem ter sido deliberadamente removidas para uso como material de construção ou para abrir caminhos e roçados.” A combinação de observações do crescimento de árvores com dados históricos e arqueológicos locais permite que os cientistas analisem o relacionamento entre as comunidades arbóreas e as sociedades humanas passadas e suas práticas econômicas.

Árvores genéticas

A análise de DNA de árvores modernas é comumente usada por empresas e silvicultores para selecionar árvores com características economicamente desejáveis. No entanto, análises genéticas modernas podem revelar também informações importantes sobre como as populações de uma dada espécie mudaram ao longo do espaço e do tempo. Onde relevante, essas análises genéticas podem ser usadas para analisar processos de domesticação, incluindo a seleção de características particulares (como formato, tamanho e sabor de um fruto, por exemplo). A capacidade de associar padrões de diversidade genética de árvores economicamente importantes a registros arqueológicos conhecidos promete revelar novas ideias sobre os assentamentos em ambientes tropicais no passado.

A revisão dos autores mostra que, em muitos casos na América Central e do Sul, a máxima diversidade genética dessas espécies é encontrada em áreas com intensa ocupação humana pré-colombiana. No entanto, além das investigações do passado distante, o presente estudo também mostra que a amostragem de árvores modernas como o mogno pode documentar mudanças na diversidade genética antes e depois dos episódios de exploração. Os autores propõem que, dado o avanço do sequenciamento completo do genoma, a aplicação de tais métodos a árvores vivas em uma determinada floresta possa possibilitar a reconstrução genética de eventos passados de desmatamento e manejo – particularmente onde informações históricas e arqueológicas detalhadas também estão disponíveis.

“Casas na árvore” – Casas para novos dados e sociedades humanas passadas

Embora a maioria dos estudos ecológicos nos trópicos tenha focado em como as mudanças na estrutura da floresta e no crescimento das árvores estão ligadas a flutuações climáticas e distúrbios naturais, a presente pesquisa destaca os séculos de impacto humano. Como afirma o co-autor do estudo, Dr. Patrick Roberts, “o trabalho avaliado aqui demonstra duas descobertas importantes: primeiro, que as sociedades humanas, de caçadores-coletores a moradores urbanos, tiveram um papel significativo no crescimento de árvores tropicais no passado; e segundo, que esse papel pode ser observado em árvores que ainda existem hoje.”

Além disso, como continua Victor Caetano Andrade, “Estas abordagens multidisciplinares de árvores antigas nos permitirão observar como o manejo florestal mudou nos trópicos, dos cenários pré-colonial para pós-colonial e das ameaças pré-industriais às do século XXI. A resolução disponível é notável e nos permitirá lidar com os legados de atividades passadas e como a mudança de práticas colocou novas pressões nesses ambientes altamente ameaçados.” Os autores concluem argumentando que é essencial que arqueólogos e ecólogos trabalhem juntos para preservar não apenas os benefícios naturais das árvores tropicais, mas também os registros do patrimônio cultural humano e do conhecimento milenar armazenado nelas.

Publicação:
Title: Tropical Trees as Time Capsules of Anthropogenic Activity
Autores: Victor L. Caetano-Andrade, Charles R. Clement, Detlef Weigel, Susan Trumbore, Nicole Boivin, Jochen Schöngart, Patrick Roberts
Revista: Trends in Plant Science
DOI: https://doi.org/10.1016/j.tplants.2019.12.010

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A propósito do coronavírus, o que são os vírus?

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No geral podemos definir um vírus como um agente infeccioso de dimensões submicroscópicas (isto é, mil vezes mais pequenos do que um milímetro) constituído por uma “cápsula” de alguns tipos de proteínas que se encaixam umas nas outras, quais pedras numa calçada portuguesa, numa estrutura regular que lhes confere resistência, a qual guarda e protege o genoma viral. O genoma, livro de instruções que definem, de certa forma, a história e o ciclo de vida do vírus, pode ser composto por ADN (exemplo, os adenovírus) ou ARN (exemplos são o HIV – vírus da SIDA, ou o influenza A sub-tipo H1N1 – vírus da gripe e os actualmente preocupantes coronavírus), mas nunca por ambos. Alguns vírus, de que o HIV é um exemplo, possuem uma bainha de lípidos à volta da cápsula proteica.

Como se sugeriu, o material genético que compõe o genoma viral contém todas as informações ou planos para a construção do seu “edifício”, instruções para a sua arquitectura proteica regular. No entanto precisam da “fábrica e maquinaria” bioquímica existente no interior das células vivas, para dar expressão, sentido e função aos seus próprios planos. Isto é assim, porque os vírus são caracterizados por não possuírem um metabolismo independente e por serem incapazes de se replicarem fora de uma determinada célula. Para além disso, vírus diferentes têm capacidade de invadir tipos de células específicos e diversos.

Por exemplo, os vírus que causam hepatite “escolhem” as células do fígado (que se designam hepatócitos e daí advém o nome da doença hepatite – infecção nos hepatócitos), os que causam a SIDA “preferem” um determinado tipo de células brancas do nosso sistema imunitário, enquanto outros como os adenovírus e os coronavírus “alojam-se” nas vias respiratórias dando origem a faringites, pneumonias e outras infecções.

Esta propriedade de os vírus serem capazes de “escolher” um tipo específico de célula é determinada pela existência de algumas proteínas no exterior do vírus que interagem forte e especificamente com moléculas existentes na superfície das células do hospedeiro e que são marcadores “típicos” das células de um determinado tecido. Por exemplo, o vírus influenza A, sub-tipo H1N1, possui no seu mosaico proteico duas proteínas: um tipo de hemaglutinina (H1) e um tipo de neuraminidase (N1). Assim, devido a uma estratégia de reconhecimento molecular forjada e moldada no início da vida no nosso planeta e que evoluiu desde então através de variações do mesmo tema, o vírus “sabe” a que tipo de célula humana deve “atracar-se” para dar início à sua replicação. Isto porque existem na superfície de todas as células, receptores complementares das proteínas que estão na cápsula viral. Uma interacção tipo chave na fechadura complementar, abre a célula à invasão viral.

Assim, uma vez encontrada a célula com a fechadura que a “chave” viral abre, os vírus “injectam” o seu genoma, o seu manual de instruções, no interior celular, ou são primeiramente internalizados integralmente: qual cavalo de Tróia, a célula engole a partícula viral sem ter qualquer desconfiança sobre o que é que lhe vai acontecer.

Uma vez no interior da célula, os genes virais entram em acção, enganando a célula ao dar-lhe novas instruções. Como já se disse, os vírus necessitam da maquinaria bioquímica existente nas nossas células e nas bactérias (sim, também estas padecem com invasões virais). Sem estes processos inerentes e essenciais à vida não é possível “ler” os planos de construção codificados nos genes virais e “traduzi-los” para a forma funcional e estrutural que são as suas proteínas constituintes. Esta tradução é efectuada em unidades de síntese e “montagem” proteica que são os ribossomas. Estes funcionam como “máquinas” de tradução da linguagem genética em proteínas e estão presentes em todas as células. Mas os vírus não possuem ribossomas. Este é um dos aspectos fulcrais para a total dependência dos recursos interiores da célula. Qual atracção “nostálgica” do citoplasma celular, este é destino incontornável no ciclo de replicação viral e fado fatal para a célula hospedeira. Percebemos, assim, porque é que os vírus necessitam das células para se replicarem. Ademais, a célula confere-lhes um ambiente seguro, recheado das matérias-primas e da energia necessária para a sua síntese.

Com o que atrás ficou dito, é mais fácil antever que a infecção de uma célula por um vírus faz com que o metabolismo daquela se desvie muito da sua actividade normal e vital, em direcção à síntese das “peças” necessárias para fabricar novos vírus (nesta etapa designados por viriões). A célula transforma-se assim numa autêntica unidade fabril de produção em série de inúmeras cópias idênticas (clones) do vírus que a infectou. “Obcecada” por esta actividade, a maquinaria celular é impedida de efectuar os processos normais necessários à sua própria manutenção, acabando por entrar em colapso ao fim de algum tempo. Nessa altura, ou porque a célula não é mais capaz de garantir a sua integridade, ou porque o número de viriões por ela sintetizados é muito elevado, ocorre uma ruptura celular e os viriões são libertados para o exterior. Cada um dos novos vírus passa a estar, desta forma, pronto para infectar uma nova célula reiniciando assim o ciclo e o processo infeccioso.

Como os vírus não possuem metabolismo próprio, não é possível utilizar a estratégia intrínseca aos antibióticos que usamos para combater bactérias. Algumas das estratégias da investigação nesta área tentam impedir que os vírus consigam reconhecer a sua célula hospedeira específica e se fixem nela. Outras linhas de investigação dirigem-se para a tentativa de evitar que os vírus dêem ordens de operação à célula para a sua síntese. Outras ainda intrometem-se numa etapa necessária à libertação dos viriões, travando a difusão do programa viral para outras células.

As vacinas actuam de outra forma: instruem o nosso sistema imunitário, “ensinando-o” a reconhecer e a “inactivar” alguns dos vírus que nos visitam. Continua a ser a mais eficaz forma de defesa preventiva que conhecemos. Contudo, alguns vírus sofrem mutações genéticas (alterações no genoma, por exemplo por deriva genética), no decurso da sua replicação, que lhes permite mudar de “aspecto” exterior e escapar à vigilância do nosso sistema imunitário previamente instruído pela vacinação. É como se mudassem de disfarce entre visitas, tornando a sua identificação difícil, e ineficaz a preparação antecipada que a vacinação dá ao nosso próprio sistema de segurança interna contra estes agentes patogénicos.

António Piedade
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