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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
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”.
A equipe de microscopia eletrônica do Instituto Allen preparou, seccionou e obteve imagens de milhares de fatias ultrafinas de tecido cerebral como parte deste trabalho • Allen Institute
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.
A imagem mostra um subconjunto de mais de 1.000 dos 120.000 neurônios reconstruídos no projeto MICRONS. Cada neurônio reconstruído apresenta uma cor aleatória diferente. Um subconjunto dos neurônios foi simbolicamente representado como brilhante para representar o fato de que este conjunto de dados inclui registros funcionais de um subconjunto de neurônios • Allen Institute
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.”
