Os cientistas fizeram avanços significativos na compreensão da função cerebral usando o nematóide C. elegans. A pesquisa, empregando optogenética e conectômica, oferece novos insights sobre a comunicação neural e desafia os modelos tradicionais, melhorando nossa compreensão de redes neurais complexas.
Um novo estudo investiga a transferência de informações entre neurônios.
Sabemos realmente como o cérebro funciona?
Nas últimas décadas, avanços significativos foram feitos na compreensão do intrincado funcionamento do cérebro. Os pesquisadores adquiriram amplo conhecimento sobre a neurobiologia celular do cérebro e descobriram muito sobre suas redes neurais e os elementos que constituem essas conexões. Apesar disso, uma série de questões importantes permanecem sem resposta e, consequentemente, o cérebro continua a ser um dos grandes e tentadores mistérios da ciência.
Talvez uma das questões mais incómodas gira em torno da nossa compreensão do cérebro como um sistema. Os cientistas ainda não sabem como o cérebro funciona como uma rede de componentes interagentes, como todos os componentes neurais cooperam e, especialmente, como a informação é processada entre esta complexa rede de neurônios.
Pesquisa revolucionária em um organismo simples: o verme C. elegans
Agora, porém, uma equipe de neurocientistas e físicos da Universidade de Princeton estão ajudando a esclarecer como a informação flui no cérebro, estudando, entre todas as coisas, o cérebro de um verme muito pequeno, mas onipresente, conhecido como Caenorhabditis elegans. Os detalhes do experimento são narrados em uma edição recente da Natureza. A equipe era composta por Francesco Randi, Sophie Dvali e Anuj Sharma e era liderada por Andrew Leifer, neurocientista e físico.
“Os cérebros são excitantes e misteriosos”, disse Leifer. “Nossa equipe está interessada na questão de como coleções de neurônios processam informações e geram ações.”
O vídeo mostra medições da atividade neural na cabeça do verme à medida que neurônios individuais são estimulados opticamente, um de cada vez. O neurônio na mira é estimulado quando as palavras “Estimulado” aparecem. Quando os neurônios se tornam ativos, eles aparecem em vermelho escuro nesta visualização. O vídeo está acelerado 4x. Crédito: Francesco Randi, Universidade de Princeton
O interesse nesta questão tem amplas implicações, acrescentou Leifer. Compreender como funciona uma rede de neurônios é um exemplo específico de uma classe mais ampla de questões em física biológica, nomeadamente, como os fenômenos coletivos emergem de redes de células e moléculas em interação. Esta área de pesquisa tem implicações para muitos tópicos relevantes para a física biológica, bem como para tecnologias contemporâneas de ponta, como a inteligência artificial.
O primeiro passo para responder à questão de como a informação é processada através de uma rede de neurônios em interação exigiu que Leifer e sua equipe encontrassem um organismo adequado que pudesse ser facilmente manipulado em laboratório. Isso acabou sendo C. elegante, um nematóide não segmentado e não parasita, ou lombriga, que tem sido estudado por cientistas há décadas e é considerado um “organismo geneticamente modelo”. Organismos modelo são comumente usados em laboratório para ajudar os cientistas a compreender os processos biológicos porque sua anatomia, genética e comportamento são bem compreendidos.
Técnicas inovadoras em mapeamento cerebral e optogenética
O verme tem aproximadamente um milímetro de comprimento e é encontrado em muitos ambientes ricos em bactérias. Especialmente pertinente para o presente estudo é o facto de o organismo ter um sistema nervoso de apenas 302 neurónios em todo o corpo, 188 dos quais residem no cérebro.
“Em contraste, o cérebro humano tem centenas de bilhões de neurônios”, disse Leifer. “Então, esses vermes são muito mais simples de estudar. Na verdade, esses worms são excelentes para experimentação porque atingem o equilíbrio certo entre simplicidade e complexidade.”
É importante ressaltar, acrescentou Leifer, C. elegans foi o primeiro organismo a ter sua fiação cerebral totalmente “mapeada”. Isto significa que os cientistas compilaram um diagrama abrangente, ou “mapa”, de todos os seus neurônios e sinapses – os locais onde os neurônios se conectam fisicamente e se comunicam com outros neurônios. Este campo de atuação é chamado de “conectômica”, no jargão da neurociência, e um diagrama de um mapa abrangente de conexões neurais no cérebro de um organismo é conhecido como “conectoma”. Um dos principais objetivos da conectômica é descobrir conexões nervosas específicas responsáveis por comportamentos específicos.
Neurônios no verme microscópico C. elegans. Os neurônios do verme foram geneticamente modificados para serem codificados por cores de acordo com seu tipo de célula. Os nomes de cada neurônio são mostrados em amarelo. Crédito: Francesco Randi, Universidade de Princeton
Uma vantagem adicional na utilização C. elegans em experiências de laboratório é que o verme é transparente e, em certos casos, o seu tecido foi geneticamente modificado para ser sensível à luz. Esta área de pesquisa é conhecida como “optogenética” e revolucionou muitos aspectos da experimentação na neurociência biológica. Em vez do sistema mais convencional de usar um eletrodo para fornecer uma corrente a um neurônio e, assim, estimular uma resposta, a técnica optogenética envolve o uso de proteínas sensíveis à luz de certos organismos e a implantação dessas células em outro organismo para que os pesquisadores possam controlar o comportamento de um organismo. ou respostas usando sinais luminosos.
Da mesma forma, outras proteínas podem ser usadas para iluminar e informar quando um neurônio sinaliza para outro. Isto significa duas coisas importantes para a experimentação laboratorial: que um organismo responderá à presença de luz e que um neurônio, ao receber um sinal de outro neurônio, “acenderá”. Isso permitiu aos pesquisadores estudar visualmente a interação dos neurônios.
“O que é realmente poderoso nesta ferramenta é que você pode literalmente ligar os neurônios e observá-los sinalizar em tempo real”, disse Leifer. “Em essência, podemos converter o problema de medir e manipular a atividade neural em um problema de coletar e fornecer a luz certa, no lugar certo, na hora certa.”
Estas ferramentas ópticas permitiram à equipa de Leifer iniciar a árdua tarefa de compreender como a informação flui através do cérebro do verme. O objetivo era entender como os sinais fluem diretamente por todo o cérebro do verme, então cada neurônio teve que ser medido. Isso envolveu isolar um neurônio por vez, acender uma luz sobre ele, para que fosse “ativado” e depois observar como os outros neurônios respondiam.
“Para este experimento, passamos um neurônio de cada vez por todo o cérebro, ativando ou perturbando cada neurônio e depois observando toda a rede responder”, disse Leifer. “Dessa forma, conseguimos mapear como os sinais fluíam pela rede.”
“Esta foi uma abordagem que nunca tinha sido feita antes na escala de um cérebro inteiro”, acrescentou Leifer.
Ao todo, Leifer e sua equipe realizaram quase 10 mil eventos de estímulo medindo mais de 23 mil pares de neurônios e suas respostas, uma tarefa que levou sete anos desde a concepção até a conclusão.
Desafiando modelos estabelecidos e introduzindo novos insights
A pesquisa conduzida por Leifer e sua equipe é até agora a descrição mais abrangente de como os sinais fluem através do cérebro. Para cientistas que estudam C. elegansos pesquisadores forneceram muitas informações sobre como sinais específicos funcionam no cérebro do verme, e espera-se que esta pesquisa forneça uma infinidade de novas informações que ajudem a avançar na pesquisa básica.
Uma descoberta igualmente importante foi que uma série de observações empíricas que Leifer e sua equipe fizeram durante o experimento muitas vezes contradiziam as previsões do comportamento do verme baseadas em modelos matemáticos derivados do mapa do conectoma do verme.
“Concluímos que, em muitos casos, muitos detalhes moleculares que não podemos ver no diagrama elétrico são, na verdade, muito importantes para prever como a rede deve responder”, disse Leifer.
Os pesquisadores sugerem que existe uma forma de sinalização – parte dos “detalhes moleculares que você não pode ver” – que não progride ao longo dos fios neurais. Leifer e seu grupo os caracterizaram como “sinais sem fio”. Embora a sinalização sem fio seja bem conhecida entre os neurocientistas, ela tem sido amplamente subestimada no estudo da dinâmica neural porque muitas vezes é considerada um processo que ocorre muito lentamente. A sinalização sem fio é uma forma de sinalização pela qual um neurônio libera moléculas, chamadas neuropeptídeos, no espaço extracelular, ou “meio extracelular”, entre os neurônios. Esses produtos químicos se difundem e se ligam a outros neurônios, mesmo que não haja conexão física entre eles.
Finalmente, os investigadores acreditam que um impacto importante do seu trabalho é permitir que outros neurocientistas que estudam este e outros fenómenos semelhantes desenvolvam melhores modelos para compreender o cérebro como um sistema.
“Com nossa pesquisa, fornecemos uma peça muito importante do quebra-cabeça que faltava”, disse Leifer.
Referência: “Atlas de propagação de sinal neural de Caenorhabditis elegans” por Francesco Randi, Anuj K. Sharma, Sophie Dvali e Andrew M. Leifer, 32 de outubro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06683-4
Este trabalho foi apoiado principalmente pelo Prêmio Novo Inovador do Instituto Nacional de Saúde, um Prêmio CAREER da National Science Foundation e um prêmio da Fundação Simons. O financiamento também foi recebido de uma bolsa do NSF Physics Frontier Center que apoia o Centro de Física de Função Biológica da Universidade de Princeton.
