Peça a qualquer neurocientista que desenhe um neurônio, e provavelmente será parecido com uma estrela de duas caudas. Um atarracado com extensos galhos em forma de árvore, o outro esbelto, comprido e salpicado de pontas espigadas.
Na verdade essa imagem de desenho animado esconde a verdade desconfortável de que os cientistas ainda não sabem muito sobre como muitos neurônios realmente se parecem, para não mencionar a extensão de suas conexões.
Mas sem desemaranhar a bagunça confusa de fios neurais que ziguezagueiam pelo cérebro, os cientistas ficam perplexos tentando responder a um dos mistérios mais fundamentais do cérebro: como segmentos neuronais individuais carregam e montam informações, que formam a base de nossos pensamentos, memórias consciência e nossa própria vontade.
E se houvesse uma maneira de rastrear e explorar virtualmente as fibras serpentinas do cérebro, da mesma forma que o Google Maps nos permite navegar pelos emaranhados de concreto das rodovias de nossas cidades?
Graças a uma equipe interdisciplinar no Janelia Research Campus , estamos a caminho. Conheça o MouseLight , o mapa mais extenso do cérebro de camudongo. O projeto em andamento tem um objetivo ambicioso; reconstruir milhares – se não mais – dos 70 milhões de neurônios do camundogo em um mapa 3D. (Você pode brincar com isso aqui !)
Com o mapa em mãos, os neurocientistas de todo o mundo podem começar a responder como os circuitos neurais são organizados no cérebro e como as informações fluem de um neurônio para outro através das regiões e hemisférios cerebrais.
O primeiro lançamento, foi apresentado na Conferência Anual da Society for Neuroscience em Washington, DC, contém informações sobre a forma e o tamanho de 300 neurônios.
E isso é apenas o começo.
“O novo conjunto de dados da MouseLight é o maior desse tipo”, diz o Dr. Wyatt Korff, diretor de equipes de projeto. “Isso vai mudar a visão dos neurônios nos livros didáticos”.
Atlas Cerebral
O MouseLight não é o primeiro projeto de atlasing de cérebro de roedores.
O Atlas de Conectividade do Cérebro do Camundogo no Allen Institute for Brain Science em Seattle rastreia a atividade dos neurônios através de pequenos circuitos em um esforço para rastrear o conectoma de um camundongo – um atlas completo de como o disparo de um neurônio se liga ao seguinte.
MICrONS (Machine Intelligence da Cortical Networks), o ” moonshot ” financiado pelo governo de US $ 100 milhões espera destilar a computação do cérebro em algoritmos para inteligência artificial mais poderosa. Seu primeiro passo? Mapeamento do cérebro.
O que destaca o MouseLight é seu escopo e nível de detalhamento.
MICRONS, por exemplo, está focado em dissecar um milímetro cúbico do centro de processamento visual do mouse. Em contraste, o MouseLight envolve o rastreamento de neurônios individuais em todo o cérebro.
E enquanto conectomics descreve as principais conexões entre as regiões do cérebro, a visão de olho de pássaro perde inteiramente as complexidades de cada neurônio individual. É aqui que o MouseLight entra em cena.
Fatia e dados
Com uma espessura do fio de cabelo humano, as projeções de neurônios são difíceis de capturar em seu estado nativo. Puxe ou aperte o cérebro com muita força, e os galhos longos e delicados distorcem ou até desfazem em pedaços.
Na verdade, tentativas anteriores de reconstruir neurônios nesse nível de detalhe foram poucas, frustradas por soluços tecnológicos e custos altíssimos.
Há alguns anos, a equipe da MouseLight começou a automatizar todo o processo, com alguns ajustes de economia de tempo.
Depois de infectar um rato com um vírus que faz com que um punhado de neurônios produza uma proteína verde, a equipe tratou o cérebro com uma solução com álcool e açúcar. Esse passo “limpa” o cérebro, transformando o órgão de cor bege em translúcido, facilitando a penetração da luz e aumentando a relação sinal/ruído de fundo. O cérebro é então colado em um pedestal pequeno e pronto para geração de imagens.
Baseando-se em um método estabelecido chamado “microscopia de dois fótons”, a equipe ajustou vários parâmetros para reduzir o tempo de geração de imagens de dias (ou semanas) para uma fração disso. Conhecido como “2P” pelos especialistas, esse tipo de microscópio a laser zapeaia o tecido com apenas fotos suficientes para iluminar um único plano sem danificar o tecido – plano mais nítido, melhor foco, imagem mais nítida.
Depois de capturar uma imagem, a configuração ativa sua lâmina vibratória e raspa a parte imageada do cérebro. O processo é repetido até que todo o cérebro seja imaginado.
Esta configuração aumentou a velocidade de imagem 16 a 48 vezes mais rápido do que a microscopia convencional, escreve o líder da equipe Dr. Jayaram Chandrashekar , que publicou uma versão do método no início do ano passado na eLife .
As imagens resultantes destacam notavelmente cada parte de um ramo neuronal, surgindo contra um fundo preto como breu. Mas as fotos bonitas têm um alto custo de dados: cada imagem ocupa 20 terabytes de dados –aproximadamente o espaço de armazenamento de 4.000 DVDs ou 10.000 horas de filmes.
Costurar imagens individuais em 3D é um pesadelo de processamento de imagem. A equipe da MouseLight usou uma combinação de poder computacional e proeza humana para concluir esta etapa final.
As imagens reconstruídas são entregues a uma equipe poderosa de sete rastreadores de neurônios treinados. Com a ajuda de algoritmos de rastreamento desenvolvidos internamente e com um olho aguçado, cada membro pode rastrear aproximadamente um neurônio por dia. Significativamente menos tempo do que a semana mais ou menos necessária anteriormente.
Um jogo de números
Mesmo com apenas 300 neurônios totalmente reconstruídos, a MouseLight já revelou novos segredos do cérebro.
Embora seja amplamente aceito que os axônios, a projeção de saída dos neurônios, possam abranger toda a extensão do cérebro, essas conexões extralongas são consideradas relativamente raras. (De fato, um “neurônio gigante” previamente descoberto foi pensado para se ligar à consciência por causa de suas conexões expansivas).
Os dados mostram claramente que os “neurônios gigantes” são muito mais comuns do que se pensava anteriormente. Por exemplo, quatro neurônios normalmente associados ao paladar possuíam galhos vigorosos que se estendiam até as áreas do cérebro que controlam o movimento e processam o toque.
“Sabíamos que diferentes regiões do cérebro falavam umas com as outras, mas vê-lo em 3D é diferente”, diz o Dr. Eve Marder, da Brandeis University.
“Os resultados são tão impressionantes, porque dão uma visão muito clara de como todo o cérebro está conectado.”
Agora o objetivo da equipe é adicionar 700 neurônios à sua coleção dentro de um ano.
Mas a aparência é apenas parte da história.
Nós não podemos dizer tudo sobre uma pessoa simplesmente pela sua aparência, com os neurônios também não. Os cientistas só podem inferir muito sobre a função de um neurônio observando sua forma e posição. A equipe também espera analisar os padrões de expressão gênica de cada neurônio, o que poderia fornecer mais dicas para seus papéis no cérebro.
O MouseLight essencialmente disseca a infraestrutura neural que permite que o tráfego de informações flua pelo cérebro. Essas estradas anatômicas são apenas a base. Assim como o Google Maps, as estradas formam apenas a primeira camada crítica do mapa. O Street View, as informações de trânsito e outros complementos vêm depois para uma visão completa das cidades em fluxo.
O mesmo acontecerá para entender nosso cérebro em constante mudança.
Fonte: SingularityHub
Crédito de imagem: Janelia Research Campus , equipe do projeto MouseLight
