Estudos cerebrais de camundongos aumentam a compreensão das mentes humanas

Pesquisadores do Google acabaram de revelar um mapa incrivelmente detalhado do cérebro humano, focando em um pedaço pequeno, porém significativo: apenas 1 milímetro cúbico de tecido cerebral, aproximadamente do tamanho de meio grão de arroz. Este mapa, que exigiu impressionantes 1,4 petabytes de dados para ser codificado, exibe neurônios individuais e suas intrincadas conexões com notável clareza.

Embora seja uma parte minúscula do cérebro, o mapa levou a algumas descobertas surpreendentes. "Por exemplo, notamos que alguns dos fios neurais se entrelaçam em nós massivos", diz o cientista de pesquisa do Google Viren Jain. "Não temos ideia do motivo disso acontecer — é algo que ninguém viu antes."

Agora, Viren e sua equipe estão voltando seu foco para os cérebros de camundongos, e por uma razão convincente. Esses pequenos mamíferos podem ser a chave para desvendar 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 o que falha em condições como Alzheimer e outras doenças cerebrais?

"A principal razão pela qual não temos respostas para essas perguntas é que ainda nos faltam 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 a maquinaria complexa por trás de nossos pensamentos, emoções, movimentos e interações com o mundo. Ao mapear essas conexões neurais, ou o "conectoma", podemos obter insights sobre como nossos cérebros funcionam e por que às vezes eles falham.

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

Nos últimos dez anos, a equipe fez avanços significativos no desenvolvimento de tecnologias para processar, analisar e compartilhar dados de forma mais eficiente, acelerando significativamente nossa compreensão do cérebro. Por exemplo, eles introduziram redes de preenchimento por inundação, que automatizam o rastreamento de neurônios em imagens cerebrais usando aprendizado de máquina, eliminando a necessidade de coloração manual. Eles também desenvolveram o algoritmo SegCLR para identificar automaticamente diferentes partes de células e tipos de células dentro dessas redes. Além disso, criaram softwares como TensorStore e Neuroglancer para ajudar a armazenar, processar e visualizar imagens e volumes multidimensionais de grande escala.

No entanto, mapear o conectoma completo do cérebro humano permanece um objetivo distante. Seria necessário analisar até um zettabyte de dados — um bilhão de terabytes — o que está atualmente além do nosso alcance tecnológico. "Mapear o cérebro humano inteiro agora custaria bilhões de dólares e levaria centenas de anos", admite Viren.

Como resultado, os pesquisadores estão se concentrando em mapear porções maiores de cérebros de animais menores ou seções menores de cérebros de animais maiores. Em 2020, a equipe de Conectômica mapeou com sucesso metade do cérebro de uma mosca-das-frutas, revelando conexões entre 25.000 neurônios. Colaborações com outros pesquisadores também levaram à criação de conectomas para partes dos cérebros de pintassilgo-zebra e larvas de peixe-zebra. E em maio, o mapa detalhado de 1 milímetro cúbico de tecido cerebral humano foi publicado na Science.

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 neurônios excitatórios, iluminados em amarelo, enquanto a imagem inferior exibe neurônios inibitórios, destacados em azul.

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

Sem os meios para mapear o cérebro humano inteiro, analisar um conectoma de camundongo é um próximo passo prático. É pequeno o suficiente para ser viável e pode fornecer insights aplicáveis a cérebros humanos. "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 camundongos são frequentemente usados para estudar distúrbios cerebrais humanos.

Camundongos representam a última fronteira em conectômica, mas neurocientistas têm mapeado cérebros cada vez mais complexos por décadas. O primeiro conectoma foi do cérebro de um verme, publicado em 1986 após 16 anos de trabalho.

Embora o cérebro de um camundongo seja 1.000 vezes menor que o de um humano, mapeá-lo ainda é um desafio técnico formidável. O conjunto de dados de um único conectoma de cérebro de camundongo em resolução nanométrica poderia ser o maior conjunto de dados biológicos já registrado, estimado em 20.000-30.000 terabytes.

"Não apenas adquirir os dados é um desafio, mas armazená-los e processá-los com precisão é outro obstáculo", observa Viren. "Nossa contribuição única tem sido desenvolver ferramentas que expandem os limites da precisão e aplicá-las a conjuntos de dados cada vez maiores."

Se bem-sucedido, o projeto de cérebro de camundongo da equipe de Conectômica será a primeira vez que cientistas mapearam parte de um hipocampo de mamífero e a maior seção cerebral já tentada a ser mapeada.

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