Pesquisadores construíram uma imagem 3D de quase todos os neurônios e suas conexões dentro de um pequeno pedaço de tecido cerebral humano. Esta versão mostra neurônios excitatórios coloridos pela sua profundidade a partir da superfície do cérebro. Neurônios azuis são aqueles mais próximos da superfície, e a cor fúcsia marca a camada mais interna. A amostra tem aproximadamente 3 mm de largura.
Uma equipe liderada por cientistas de Harvard e do Google criou um mapa em 3D, com resolução em nanossegundo, de um único milímetro cúbico do cérebro humano. Embora o mapa cubra apenas uma fração do órgão — um cérebro inteiro é um milhão de vezes maior —, essa peça contém aproximadamente 57.000 células, cerca de 230 milímetros de vasos sanguíneos e quase 150 milhões de sinapses. Atualmente, é a imagem de mais alta resolução do cérebro humano já criada.
Para fazer um mapa tão detalhado, a equipe teve que cortar a amostra de tecido em 5.000 fatias e escaneá-las com um microscópio eletrônico de alta velocidade. Em seguida, eles usaram um modelo de aprendizado de máquina para ajudar a juntar eletronicamente as fatias e rotular as características. Somente o conjunto de dados brutos ocupou 1,4 petabytes. “Provavelmente é o trabalho mais intensivo em computação de toda a neurociência”, diz Michael Hawrylycz, neurocientista computacional do Instituto Allen para Ciência do Cérebro, que não esteve envolvido na pesquisa. “Há uma quantidade hercúlea de trabalho envolvido.”
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Litografia colorida da seção transversal traseira de um cérebro e coluna vertebral sobreposta a um mapa antigo Cientistas acabam de elaborar um mapa incrivelmente detalhado do cérebro humano Uma enorme coleção de artigos oferece uma visão de alta resolução do cérebro humano e do primata não humano. Muitos outros atlas do cérebro existem, mas a maioria fornece dados de resolução muito mais baixa. Na escala nanométrica, os pesquisadores podem traçar o circuito do cérebro neurônio por neurônio até as sinapses, os locais onde eles se conectam. “Para realmente entender como o cérebro humano funciona, como processa informações, como armazena memórias, precisaremos, em última instância, de um mapa com essa resolução”, diz Viren Jain, cientista sênior de pesquisa do Google e coautor do artigo, publicado na Science em 9 de maio. O próprio conjunto de dados e uma versão pré-impressa deste artigo foram lançados em 2021.
Os atlas cerebrais vêm em muitas formas. Alguns revelam como as células estão organizadas. Outros cobrem a expressão gênica. Este se concentra nas conexões entre as células, um campo chamado “conectômica”. A camada mais externa do cérebro contém aproximadamente 16 bilhões de neurônios que se conectam entre si para formar trilhões de conexões. Um único neurônio pode receber informações de centenas ou até milhares de outros neurônios e enviar informações para um número semelhante. Isso torna o rastreamento dessas conexões uma tarefa extremamente complexa, mesmo em apenas um pequeno pedaço do cérebro.
Para criar este mapa, a equipe enfrentou uma série de obstáculos. O primeiro problema foi encontrar uma amostra de tecido cerebral. O cérebro se deteriora rapidamente após a morte, então o tecido de cadáveres não funciona. Em vez disso, a equipe usou um pedaço de tecido removido de uma mulher com epilepsia durante uma cirurgia cerebral que tinha como objetivo ajudar a controlar suas convulsões.
Depois que os pesquisadores obtiveram a amostra, eles tiveram que preservá-la cuidadosamente em resina para que pudesse ser cortada em fatias, cada uma com cerca de milésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Em seguida, eles imaginaram as seções usando um microscópio eletrônico de alta velocidade projetado especificamente para este projeto.
Em seguida, veio o desafio computacional. “Você tem todos esses fios atravessando em todas as direções em três dimensões, fazendo todos os tipos de conexões diferentes”, diz Jain. A equipe do Google usou um modelo de aprendizado de máquina para juntar as fatias, alinhar uma com a outra, codificar a fiação por cores e encontrar as conexões. Isso é mais difícil do que parece. “Se você cometer um único erro, todas as conexões anexadas a esse fio estarão incorretas”, diz Jain.
“A capacidade de obter uma reconstrução tão profunda de qualquer amostra de cérebro humano é um avanço importante”,
diz Seth Ament, neurocientista da Universidade de Maryland. O mapa é “o mais próximo da verdade absoluta que podemos chegar agora.” Mas ele também adverte que é uma única amostra de cérebro retirada de um único indivíduo.
O mapa, que está livremente disponível em uma plataforma web chamada Neuroglancer, é destinado a ser um recurso que outros pesquisadores podem usar para fazer suas próprias descobertas. “Agora, qualquer pessoa interessada em estudar o córtex humano neste nível de detalhe pode acessar os dados. Eles podem revisar certas estruturas para garantir que tudo esteja correto e, em seguida, publicar suas próprias descobertas”, diz Jain. (O pré-impressão já foi citado pelo menos 136 vezes.)
A equipe já identificou algumas surpresas. Por exemplo, alguns dos longos tentáculos que transportam sinais de um neurônio para o outro formaram “redemoinhos”, pontos onde eles se enrolaram em si mesmos. Axônios tipicamente formam uma única sinapse para transmitir informações para a próxima célula. A equipe identificou axônios únicos que formaram conexões repetidas — em alguns casos, 50 sinapses separadas. Por que isso pode acontecer ainda não está claro, mas os fortes laços poderiam ajudar a facilitar reações muito rápidas ou fortes a certos estímulos, diz Jain. “É uma descoberta muito simples sobre a organização do córtex humano”, ele diz. Mas “não sabíamos disso antes porque não tínhamos mapas com essa resolução.”
O conjunto de dados estava cheio de surpresas, diz Jeff Lichtman, neurocientista da Universidade de Harvard que ajudou a liderar a pesquisa. “Havia tantas coisas nele que eram incompatíveis com o que você leria em um livro didático.” Os pesquisadores podem não ter explicações para o que estão vendo, mas têm muitas novas perguntas: “É assim que a ciência avança.”
Correção: Devido a um erro de transcrição, uma citação de Viren Jain se referia a como o cérebro ‘exporta’ memórias. Foi atualizado para refletir que ele estava falando sobre como o cérebro ‘armazena’ memórias.