Usando um pedaço do cérebro de um camundongo do tamanho de um grão de areia, pesquisadores mapearam 84.000 neurônios e 500 milhões de sinapses em projeto revolucionário
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Usando um pedaço de matéria cerebral de camundongo do tamanho de um grão de areia, cientistas criaram o primeiro mapa tridimensional preciso do cérebro de um mamífero.
O mapa detalha a forma, função e atividade de 84.000 neurônios, estruturas ramificadas que disparam mensagens através de um longo braço, chamado axônio, e então por mais de 500 milhões de sinapses, além de 200.000 células cerebrais. O minúsculo pedaço de tecido continha 5,4 quilômetros de fiação neuronal — quase uma vez e meia o comprimento do Central Park de Nova York.
O trabalho é o resultado de quase uma década de pesquisa por 150 cientistas em 22 instituições lideradas pelo Instituto Allen para Ciência do Cérebro, a Faculdade de Medicina Baylor e a Universidade de Princeton.
“Um subproduto deste projeto inteiro nos mostra o quão incrivelmente belo é o cérebro“, disse o Dr. Forrest Collman, diretor associado de dados e tecnologia do Instituto Allen, em um vídeo compartilhado pela organização.
“Apenas olhar para esses neurônios mostra seus detalhes e escala de uma maneira que faz você apreciar o cérebro com um sentimento de admiração, como quando você olha para uma galáxia muito, muito distante”, acrescentou.
O surpreendente mapa representa apenas 1/500 do volume total do cérebro de um camundongo, mas a equipe acabou com 1,6 petabytes de dados — uma quantidade impressionante equivalente a 22 anos de vídeo HD ininterrupto, que o projeto, conhecido como Programa de Inteligência de Máquina de Redes Corticais (MICrONS), já disponibilizou publicamente.
Pesquisadores descreveram o trabalho em vários artigos publicados na revista Nature em 9 de abril.
Desenvolvendo a atividade cerebral
Para fazer o mapa, cientistas da Faculdade de Medicina Baylor em Houston começaram usando microscópios especializados para registrar a atividade cerebral em uma porção de tecido de 1 milímetro cúbico no córtex visual de um camundongo de laboratório — onde o animal processa o que vê — ao longo de alguns dias.
Os pesquisadores garantiram que o camundongo estivesse acordado e visualmente estimulado durante a captura de imagens, fazendo o animal correr em uma esteira e assistir a cenas de 10 segundos de vários filmes, incluindo “Matrix” e “Mad Max: Estrada da Fúria”. Clipes do YouTube de esportes radicais como motocross, luge e BASE jumping também fizeram parte da rotação de visualização, de acordo com um comunicado da Universidade de Princeton.
Em seguida, após eutanasiar o camundongo, pesquisadores do Instituto Allen em Seattle pegaram esse mesmo milímetro cúbico de cérebro e o fatiaram em mais de 28.000 camadas, cada uma com 1/400 da largura de um fio de cabelo humano, e fotografaram cada fatia ao longo do processo. Depois reconstruíram as imagens em um composto.
“Isso nos levou cerca de 12 dias e 12 noites com a equipe se revezando em turnos; não porque estávamos cortando à mão, é uma máquina automatizada”, disse o Dr. Nuno Maçarico da Costa, um investigador associado do Instituto Allen. “Precisávamos estar lá para parar a qualquer momento se achássemos que íamos perder mais de uma seção em sequência.” Se isso acontecesse, da Costa disse que o experimento teria que começar do zero, acrescentando que todo o processo foi muito “estressante”.
Uma equipe da Universidade de Princeton em Nova Jersey posteriormente implantou ferramentas de aprendizado de máquina e inteligência artificial para traçar o contorno de cada neurônio através das fatias, colorindo os neurônios para iluminá-los individualmente em um processo chamado segmentação. A informação gerada por IA é validada ou revisada pelos cientistas envolvidos, um processo que ainda está em andamento.
O trabalho culminou em uma visão unificada do que os cientistas estão chamando de “conectoma” do cérebro do camundongo, que mostra como partes específicas do cérebro do camundongo são organizadas e oferece insights sobre como diferentes tipos de células trabalham juntas.
“O conectoma é o início da transformação digital da ciência do cérebro”, disse o Dr. Sebastian Seung, Professor Evnin de Neurociência da Universidade de Princeton e professor de ciência da computação.
“Com alguns toques no teclado, você pode pesquisar informações e obter os resultados em segundos. Algumas dessas informações teriam levado uma tese de doutorado inteira para obter antes” “E esse é o poder da transformação digital”, disse ele em um comunicado à imprensa.
Desafio impossível?
Mapear o cérebro desta forma há muito tempo era considerado um desafio impossível. O biólogo molecular Francis Crick, que ganhou o Prêmio Nobel por descrever a estrutura do DNA, sugeriu que os neurocientistas nunca seriam capazes de alcançar uma compreensão tão detalhada do cérebro.
“Não adianta pedir o impossível, como, por exemplo, o diagrama exato de conexões para um milímetro cúbico de tecido cerebral e a forma como todos os seus neurônios estão disparando”, escreveu ele na Scientific American em 1979.
O “conectoma” do cérebro do camundongo se baseia em trabalhos similares com criaturas ainda menores: O conectoma do verme nematódeo C. elegans foi concluído em 2019, e cientistas revelaram um mapa de todos os neurônios cerebrais da mosca-das-frutas em 2024.
Um milímetro cúbico de cérebro de camundongo é cerca de 20 vezes maior que o cérebro completo da mosca-das-frutas, e muito mais complexo, disseram os pesquisadores. Mesmo assim, o objetivo é conseguir mapear todo o conectoma cerebral dos camundongos em um futuro próximo.
“Acho que agora a resposta é não, não é viável, mas acredito que todos têm ideias muito claras sobre como poderiam romper essas barreiras. Esperamos que em três ou quatro anos, possamos dizer que sim, é possível”, disse Collman à CNN.
No entanto, ele afirmou que mapear o conectoma do cérebro humano em resolução sináptica similar seria um empreendimento dramaticamente mais difícil. “O cérebro humano é cerca de 1.500 vezes maior que o cérebro de um camundongo, e isso traz uma série de barreiras técnicas e éticas para fazer isso”, disse ele.
No entanto, pode ser possível rastrear axônios em todo o cérebro humano, se não as conexões sinápticas, acrescentou o Dr. Clay Reid, pesquisador sênior em ciência do cérebro no Instituto Allen. “A perspectiva de reconstruir o cérebro humano inteiro no nível de todas as conexões, isso é algo para um futuro distante.”
Uma nova maneira de estudar Alzheimer
O neocórtex é particularmente interessante de estudar, porque esta região do cérebro é o que distingue os cérebros dos mamíferos daqueles de outros vertebrados, disseram a Dra. Mariela Petkova, pesquisadora associada, e o Dr. Gregor Schuhknecht, pós-doutorando, ambos do departamento de biologia molecular e celular da Universidade Harvard. Petkova e Schuhknecht não estiveram envolvidos na criação do mapa cerebral do camundongo.
“Os pesquisadores focaram nesta região porque ela é geralmente considerada a sede da cognição superior e desempenha um papel fundamental na percepção sensorial, processamento da linguagem, planejamento e tomada de decisões”, escreveram eles em um artigo publicado junto com a pesquisa.
“Notavelmente, essas funções aparentemente diferentes são possibilitadas por um modelo que pode ser encontrado, com algumas modificações, em todas as áreas corticais e em todos os mamíferos.”
Camundongos de laboratório já são amplamente utilizados para entender doenças humanas, e uma melhor compreensão da forma e função do cérebro do camundongo apresentará novas possibilidades para estudar distúrbios cerebrais humanos como Alzheimer, Parkinson, autismo e esquizofrenia que envolvem perturbações na comunicação neural.
“Se você tem um rádio quebrado e tem o diagrama do circuito, você estará em uma posição melhor para consertá-lo”, disse da Costa em um comunicado à imprensa. “Estamos descrevendo uma espécie de Google Maps ou planta baixa deste grão de areia. No futuro, podemos usar isso para comparar o circuito cerebral em um camundongo saudável com o circuito cerebral em um modelo de doença.”
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