Estudos cerebrais de camundongos aumentam a compreensão das mentes humanas

Os pesquisadores do Google acabaram de revelar um mapa incrivelmente detalhado do cérebro humano, concentrando -se em uma peça pequena, mas significativa: apenas 1 milímetro cúbico de tecido cerebral, aproximadamente o tamanho de meio grão de arroz. Este mapa, que exigia 1,4 petabytes de dados impressionantes para codificar, mostra os neurônios individuais e suas complexas conexões com notável clareza.

Embora seja uma parte minúscula do cérebro, o mapa levou a algumas descobertas surpreendentes. "Por exemplo, notamos alguns dos fios neurais que se torcem nesses nós enormes", diz o cientista do Google Research Viren Jain. "Estamos sem noção por que isso acontece - é algo que ninguém foi visto antes".

Agora, Viren e sua equipe estão mudando seu foco para o cérebro de ratos e por uma razão convincente. Esses pequenos mamíferos podem apenas manter a chave para desbloquear alguns dos mistérios mais profundos de nossas próprias mentes. Perguntas como: Como armazenamos e recuperamos memórias? Como reconhecemos objetos e rostos? Por que precisamos de tanto sono? E que falhas em condições como Alzheimer e outras doenças cerebrais?

"A principal razão pela qual não temos respostas para essas perguntas é que ainda estamos perdendo dados cruciais para estudar o cérebro", explica Viren.

O cérebro humano, com seus 86 bilhões de neurônios e mais de 100 trilhões de sinapses, é o complexo maquinário por trás de nossos pensamentos, emoções, movimentos e interações com o mundo. Ao mapear essas conexões neurais, ou o "Connectome", podemos obter informações sobre como nosso cérebro funciona e por que às vezes não.

Criar mapas detalhados no nível sináptico não é uma tarefa fácil; Requer imagem do cérebro na resolução de nanômetros e lidando com enormes volumes de dados. É um desafio técnico que exige inovação contínua em imagens, algoritmos de IA e ferramentas de gerenciamento de dados. É por isso que, há uma década, o Google Research estabeleceu sua equipe Connectomics.

Nos últimos dez anos, a equipe fez avanços significativos no desenvolvimento de tecnologias para processar, analisar e compartilhar dados com mais eficiência, acelerando significativamente nossa compreensão do cérebro. Por exemplo, eles introduziram redes de preenchimento de inundações, que automatizam o rastreamento de neurônios nas imagens cerebrais usando o aprendizado de máquina, eliminando a necessidade de coloração manual. Eles também desenvolveram o algoritmo SEGCLR para identificar automaticamente diferentes partes das células e tipos de células nessas redes. Além disso, eles criaram software como Tensorstore e Neuroglancer para ajudar a armazenar, processar e visualizar imagens e volumes grandes e multidimensionais.

No entanto, o mapeamento de todo o cérebro humano Connectome continua sendo um objetivo distante. Isso exigiria a análise de um zettabyte de dados - um bilhão de terabytes - que está atualmente além do nosso alcance tecnológico. "O mapeamento de todo o cérebro humano agora levaria bilhões de dólares e centenas de anos", admite Viren.

Como resultado, os pesquisadores estão se concentrando no mapeamento de partes maiores de cérebros de animais menores ou seções menores de cérebros de animais maiores. Em 2020, a equipe do Connectomics mapeou com sucesso metade do cérebro de uma mosca de frutas, descobrindo conexões entre 25.000 neurônios. As colaborações com outros pesquisadores também levaram à criação de Connectomes para partes dos cérebros de larvas de zebra e larvas de peixe -zebra. E em maio, o mapa detalhado de 1 milímetro cúbico de tecido cerebral humano foi publicado na ciência .

Os conjuntos de dados desses projetos foram usados ​​por milhares de pesquisadores em todo o mundo, levando a centenas de descobertas publicadas.

Os pesquisadores construíram uma imagem 3D de quase todos os neurônios e suas conexões dentro de um pequeno pedaço de tecido cerebral humano. A imagem superior mostra os neurônios excitatórios, iluminados em amarelo, enquanto a imagem inferior exibe neurônios inibitórios, destacados em azul.

A equipe da Connectomics está atualmente colaborando com parceiros em Harvard, Princeton e outras instituições para mapear o hipocampo do mouse-a região do cérebro responsável pela formação de memória, atenção e navegação espacial, compreendendo 2-3% de todo o cérebro de camundongo.

Sem os meios para mapear todo o cérebro humano, a análise de um Mouse Connectome é uma próxima etapa prática. É pequeno o suficiente para ser viável e pode produzir idéias aplicáveis ​​ao cérebro humano. "Quando você examina um cérebro de camundongo sob um microscópio eletrônico, ele parece notavelmente semelhante a um cérebro humano. É essencialmente uma versão em miniatura", diz Jeff W. Lichtman, professor de biologia molecular e celular em Harvard. É por isso que os ratos são frequentemente usados ​​para estudar distúrbios do cérebro humano.

Os ratos representam a mais recente fronteira em Connectomics, mas os neurocientistas estão mapeando cérebros cada vez mais complexos há décadas. O primeiro Connectome foi do cérebro de um verme, publicado em 1986 após 16 anos de trabalho.

Embora um cérebro de rato seja 1.000 vezes menor que um cérebro humano, o mapeamento continua sendo um desafio técnico formidável. O conjunto de dados de um único conectoma cerebral de camundongo na resolução de nanômetros pode ser o maior conjunto de dados biológico de todos os tempos, estimado em 20.000 a 30.000 terabytes.

"Não é apenas adquirir os dados um desafio, mas armazenar e processá -los com precisão é outro obstáculo", observa Viren. "Nossa contribuição única tem desenvolvido ferramentas que ultrapassa os limites da precisão e as aplicavam a conjuntos de dados cada vez maiores".

Se for bem -sucedido, o projeto cerebral de mouse da equipe do Connectomics será a primeira vez que os cientistas mapearam parte de um hipocampo de mamíferos e a maior seção cerebral já tentou ser mapeada.

"A pesquisa fundamental é incrivelmente valiosa", conclui Viren. "O que me excita é a perspectiva de um dia entender com precisão como as memórias são formadas e o que causa transtornos ou doenças mentais. Mas, para conseguir isso, precisamos continuar avançando na tecnologia de maneiras que seriam inimagináveis ​​apenas algumas décadas atrás".