Google/Lichtman Laboratory
Avanços rápidos na conectômica em grande escala estão começando a destacar a importância das variações individuais nos circuitos neurais. Eles também destacam as limitações dos “diagramas de fiação” apenas.
No verão passado, um grupo de neurocientistas da Universidade de Harvard e engenheiros do Google lançou o primeiro diagrama de fiação de um pedaço do cérebro humano. O tecido, do tamanho da cabeça de um alfinete, foi preservado, manchado com metais pesados, cortado em 5.000 fatias e fotografado em um microscópio eletrônico. Esse milímetro cúbico de tecido representa apenas um milionésimo de todo o cérebro humano. No entanto, o vasto acervo de dados que o descreve compreende 1,4 petabytes de imagens microscópicas de cores vivas de células nervosas, vasos sanguíneos e muito mais.
“É como descobrir um novo continente”, disse Jeff Lichtman, de Harvard, o autor sênior do artigo que apresentou esses resultados. Ele descreveu uma coleção de características enigmáticas que sua equipe já havia detectado no tecido humano, incluindo novos tipos de células nunca vistas em outros animais, como neurônios com axônios que se enrolam e espiralam uns sobre os outros e neurônios com dois axônios em vez de um. . Essas descobertas apenas arranharam a superfície: pesquisar a amostra completamente, disse ele, seria uma tarefa semelhante a dirigir em todas as estradas da América do Norte.
Lichtman passou sua carreira criando e contemplando esses tipos de diagramas de fiação neural, ou conectomas – mapas abrangentes de todas as conexões neurais dentro de uma parte ou da totalidade de um cérebro vivo. Como um conectoma sustenta toda a atividade neural associada a um volume de matéria cerebral, é a chave para entender como seu hospedeiro pensa, sente, se move, lembra, percebe e muito mais.
Não espere um diagrama de fiação completo para um cérebro humano tão cedo, no entanto, porque é tecnicamente inviável: Lichtman aponta que o zetabyte de dados envolvidos seria equivalente a uma parte significativa do conteúdo armazenado no mundo inteiro hoje. Na verdade, a única espécie para a qual ainda existe um conectoma abrangente é Caenorhabditis elegans, a humilde lombriga.
No entanto, as massas de dados conectomas que os cientistas reuniram de vermes, moscas, ratos e humanos já estão tendo um efeito potente na neurociência. E como as técnicas de mapeamento de cérebros estão ficando mais rápidas, Lichtman e outros pesquisadores estão entusiasmados com o fato de a conectômica em grande escala – mapear e comparar os cérebros de muitos indivíduos de uma espécie – finalmente se tornar uma realidade.
Olena Shmahalo para a Quanta Magazine; fonte: Daniel Berger e Jeff Lichtman / Lichtman Lab na Harvard University
Os indivíduos biológicos geralmente variam tanto em tantas maneiras que os cientistas precisam examinar os sortimentos deles para tirar conclusões. A conectômica em grande escala poderia dar à neurociência o mesmo tipo de grande impulso que o sequenciamento do genoma simples e rápido trouxe para a genômica.
Trabalhos recentes com C. elegans demonstraram o poder da conectômica em grande escala. Um experimento mostrou que às vezes é possível para os cientistas prever o comportamento de um animal a partir do conhecimento de seu conectoma; outro sugeriu regras que governam a ligação de neurônios em circuitos funcionais. Esses sucessos, no entanto, também destacam o quão longe a conectômica em grande escala ainda precisa ir antes que possa lidar com criaturas muito mais complexas. Os pesquisadores também são cautelosos sobre as limitações inerentes ao que a conectômica pode nos dizer.
Laboratório Google / Lichtman
Predizendo comportamentos a partir de conexões
Cerca de 35 anos atrás, o primeiro diagrama de conexões cerebrais completo foi concluído para a lombriga. Por sua vez, o esforço foi heróico, embora o animal tenha apenas 302 neurônios em seu cérebro. Ele foi realizado por meio do meticuloso processo de desenho à mão de conexões neuronais em impressões de imagens de microscopia eletrônica. Demorou mais de 15 anos para ser concluído.
“Tendo a pensar em conectômica na maioria dos contextos, como expedições ao Monte Everest. Você faz isso uma vez e diz que acabou.”
Aravinthan D.T. Samuel, Harvard University
Hoje, os avanços na tecnologia de imagem aumentada pela inteligência artificial possibilitam aos cientistas completar um único cérebro de C. elegans em cerca de um mês. Os neurocientistas podem mapear vários vermes para um único experimento para fazer comparações entre indivíduos com características diferentes ou em diferentes estágios da vida. Eles sobrepõem imagens funcionais nos mapas para aprender como a rede de conexões dispara durante comportamentos complexos.
Essa abordagem está levando a um progresso impressionante na compreensão desses animais. Em um relatório na Cell publicado em setembro, os cientistas usaram o conectoma do verme para descrever um dos comportamentos mais complexos do mundo natural: o sexo. Usando imagens de vídeo e cálcio – que mede e rastreia a atividade nas células cerebrais – eles gravaram C. elegans durante o ato de acasalamento. Vídeos mostraram os vermes deslizando em torno uns dos outros em padrões de serpente, enquanto a luz branca de proteínas fluorescentes indicando atividade neuronal piscava ao longo de seus corpos delgados.
Olena Shmahalo para a Quanta Magazine;
fonte: Projeto Worm Virtual
Os cientistas dividiram os comportamentos complexos de acasalamento em subcategorias, como busca de parceiros, cópula e descanso. Em seguida, eles mapearam as atividades neuronais no conectoma do verme para identificar os mecanismos cerebrais que processam informações do ambiente durante o acasalamento. O mapa resultante da atividade cerebral foi tão pronunciado e consistente entre os oito vermes usados no estudo que eles poderiam usá-lo para prever o comportamento de um nono verme, explicou Vladislav Susoy, neurocientista e primeiro autor do estudo.
Portanto, os cientistas decidiram colocar seu conhecimento à prova experimentalmente. Pegando um novo verme, eles eliminaram com precisão um dos cinco neurônios envolvidos em um movimento chamado “giro”, no qual o verme se enrola em torno de seu parceiro um pouco antes da cópula. Sem esse neurônio, o verme perdeu a capacidade de girar. “Foi realmente impressionante como o link era claro”, disse Susoy.
Florian Engert, um neurocientista de Harvard que trabalha no mapa do cérebro do peixe-zebra, outra espécie de laboratório amplamente usada, chamou o artigo de C. elegans de “um marco” no campo pelo uso do conectoma para gerar insights sobre um comportamento complexo. O conectoma está “se tornando um recurso crítico”, disse ele.
“A maneira que todo o campo deseja usar a conectômica agora é como uma ferramenta e um banco de dados para investigar como os circuitos neuronais operam”, disse Gregor Schuhknecht, neurocientista e pós-doutorando no laboratório de Engert.
Mas, além de explicar os fundamentos dos comportamentos, os estudos da conectômica também podem revelar detalhes sutis sobre como esses comportamentos são inseridos no cérebro.
“Há um número infinito de maneiras pelas quais o cérebro pode fazer as coisas. E meu palpite é que, quase em todos os casos, o sistema nervoso raramente segue o caminho mais simples, porque não foi projetado para ser simples.”
Jeff Lichtman, Harvard University
Por exemplo, já se sabe há algum tempo que, em C. elegans, as conexões entre os neurônios se reorganizam dramaticamente entre o nascimento e a idade adulta. Para entender como o cérebro muda ao longo do desenvolvimento, em um artigo recente na Nature, os laboratórios de Lichtman, Samuel e Mei Zhen no Instituto de Pesquisa Lunenfeld-Tanenbaum do Hospital Mount Sinai em Toronto compararam os conectomas de oito lombrigas geneticamente idênticas que variam entre larvas e estágios adultos.
A descoberta mais interessante do estudo, de acordo com o primeiro autor Daniel Witvliet, foi que, embora os vermes fossem geneticamente idênticos, até 40% das conexões entre as células nervosas em seus cérebros eram diferentes. Além disso, as conexões que variaram entre os indivíduos foram mais fracas do que as semelhantes. Conexões mais fortes que continham 100 sinapses ou mais eram consistentes em vários organismos.
Para Witvliet e Lichtman, essa descoberta aponta para o poder das comparações de mapas cerebrais em massa. “Você não pode simplesmente dizer:’ Nós mapeamos o conectoma do worm ‘, porque cada conectoma é ligeiramente diferente”, disse Witvliet.
Lichtman diz que a descoberta aponta para a existência de duas classes de conexões: as variáveis e as consistentes. Se descobrir que os animais fazem conexões mais consistentes para dar suporte à atividade neural essencial para a sobrevivência, ele pensa que o nível de variação nas conexões pode se tornar um marcador importante para características significativas no conectoma.
“Se você tiver múltiplos conectomas, as partes funcionalmente importantes podem surgir desse mar de aleatoriedade”, disse Lichtman. Ele espera que, no futuro, a conectômica analise regularmente os cérebros de vários indivíduos, comparando animais saudáveis e não saudáveis, jovens e idosos, e assim por diante. “Eu acho que é para onde as coisas irão uma vez que o mapeamento do cérebro se torne rotina.”
Problema “n de 1” da neurociência
Tornar a conectômica em grande escala uma rotina, no entanto, será mais fácil dizer do que fazer. O campo da conectômica ainda sofre do que Lichtman chama de problema “n de 1”: mesmo com todas as melhorias recentes na tecnologia de mapeamento neural, diagramar as conexões cerebrais de um único indivíduo, especialmente em uma espécie mais complexa do que um verme, não é uma tarefa a ser empreendida levianamente.
Seu colega de Harvard, Aravinthan D.T. Samuel, um co-autor com Susoy do worm acasalamento paper, concorda. “Eu tendo a pensar em conectômica na maioria dos contextos, como expedições ao Monte Everest”, disse Samuel. “Você faz uma vez e diz que acabou.”
Esse desafio representa uma desvantagem significativa para a pesquisa, especialmente em criaturas complexas. Quando Lichtman e seus colegas mapearam o fragmento do cérebro humano, por exemplo, eles não tinham ideia se as coisas estranhas que viram eram normais ou isoladas devido à história única e à composição genética da pessoa. Se eles pudessem mapear amostras equivalentes de 100 cérebros humanos, eles obteriam alguma clareza sobre essas incógnitas, mas a 1,4 petabytes por cérebro, é improvável que isso aconteça tão cedo.
FlyEM / Janelia Research Campus
No entanto, a conectômica está fazendo um progresso importante, mesmo onde ainda não pode ser em grande escala e onde existem apenas conectomas parciais. O trabalho com a mosca da fruta, Drosophila melanogaster, está particularmente adiantado, tanto na larva (que tem cerca de 10.000 neurônios) quanto no adulto (com cerca de 135.000 neurônios). No ano passado, pesquisadores do Campus de Pesquisa Janelia do Howard Hughes Medical Institute lançaram um conectoma “hemi-cérebro” em nível de sinapse que mapeou muitos centros de controle importantes no cérebro da mosca. Isso levou a um anúncio importante em outubro, quando neurocientistas descobriram dezenas de novos tipos de neurônios e circuitos que parecem ajudar na navegação aérea. O trabalho foi saudado como um marco importante na revelação de como as moscas incorporam informações sensoriais e as traduzem em ação.
Também pode ser de grande valor ser capaz de comparar os genomas de espécies diferentes, mesmo que cada um de seus conectomas seja essencialmente único. Em julho, uma colaboração de neurocientistas do Allen Institute for Brain Research, da Princeton University e do Baylor College of Medicine divulgou um conjunto de dados contendo as estruturas finas e a conectividade de 200.000 células cerebrais no neocórtex visual do camundongo. O projeto levou cinco anos para ser concluído e representa o maior conjunto de dados em ratos até o momento.
Isso é apenas um começo para todo o cérebro, mas mesmo assim significa que, pela primeira vez, os pesquisadores podem comparar partes dos conectomas de dois mamíferos – ratos e humanos. Quando um conectoma estiver disponível para o peixe-zebra, será possível observar três vertebrados diferentes.
O que as conexões não podem fazer
Os sucessos da conectômica podem ser agridoces. Por muitos anos, uma crítica central da conectômica foi que ela é insuficiente para explicar como o cérebro funciona. Apesar de ter um mapa do cérebro de C. elegans por décadas, os cientistas ainda lutam para tirar conclusões significativas sobre suas funções neurais. Para Lichtman, analisar a interconectividade aparentemente ilimitada de cérebros mais complexos é um desafio que testa os limites da inteligência humana e artificial.
FlyEM / Janelia Research Campus
Outra limitação do conectoma é que ele não nos diz nada sobre a qualidade das conexões: se são fortes ou fracas. Simplesmente nos diz que existe uma conexão. “Se você tem 20 conexões entre dois neurônios, mas todos eles são extremamente fracos”, disse Engert, “então você precisa saber disso se quiser saber como a informação flui através do cérebro”.
Os neurocientistas costumam presumir que, se um neurônio faz uma conexão, deve estar fazendo com que o neurônio que toca faça alguma coisa. Mas nem toda conexão é significativa, observa Lichtman, porque os neurônios fazem milhares de conexões com outros neurônios em vastas redes cheias de redundâncias e caminhos com funções sobrepostas. É por isso que alguém pode sofrer um derrame que destrói milhares de neurônios sem perder suas memórias. “Há um número infinito de maneiras pelas quais o cérebro pode fazer as coisas”, disse Lichtman. “E meu palpite é que, quase em todos os casos, o sistema nervoso raramente segue o caminho mais simples porque não foi projetado para ser simples.”
A conectômica também não nos diz quase nada sobre as substâncias químicas do cérebro chamadas neuromoduladores, que circulam pelo fluido ao redor dos neurônios, ao contrário das substâncias químicas dos neurotransmissores liberadas precisamente nas conexões sinápticas entre os neurônios. Eles representam outra maneira pela qual as células do cérebro se comunicam umas com as outras.
Muitos circuitos neurais mudam seu comportamento na presença de um neuromodulador, disse Louis Scheffer, neurocientista e biólogo computacional do Campus de Pesquisa Janelia. Ele cita o exemplo do gânglio estomatogástrico, um circuito de apenas três neurônios em lagostas e caranguejos que controla os movimentos rítmicos dos músculos do estômago. Cientistas identificaram cerca de 20 neuromoduladores que fazem esse gânglio mudar seu padrão de disparo, o que torna difícil tirar conclusões concretas sobre o quanto as funções motoras são definidas puramente pelas conexões entre os neurônios. Scheffer chama esse circuito neural de “garoto-propaganda” do motivo pelo qual um conectoma sozinho não pode explicar a função cerebral.
Engert acredita que existe um consenso geral de que o conectoma não será suficiente para a compreensão de um cérebro. Mas os sucessos até agora dos mapas de conexões cerebrais na explicação de comportamentos em lombrigas e moscas, disse ele, mostram que o conectoma “certamente será muito útil para informar a função, e pode até ser necessário”.
Publicado em 12/12/2021 17h25
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