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Seis camadas de neurônios excitatórios codificados por cores por profundidade. Crédito: Google Research e Lichtman Lab
Um esforço colaborativo entre Harvard e Google levou a um avanço na ciência do cérebro, produzindo um extenso mapa 3D de um pequeno segmento do cérebro humano, revelando interações neurais complexas e estabelecendo as bases para mapear o cérebro inteiro de um rato.
Um milímetro cúbico de tecido cerebral pode não parecer muito. Mas considerando que esse pequeno quadrado contém 57 mil células, 230 milímetros de vasos sanguíneos e 150 milhões de sinapses, tudo totalizando 1.400 terabytes de dados, os pesquisadores de Harvard e do Google acabaram de realizar algo enorme.
Uma equipe de Harvard liderada por Jeff Lichtman, professor Jeremy R. Knowles de Biologia Molecular e Celular e recém-nomeado reitor de ciências, co-criou com pesquisadores do Google a maior reconstrução 3D com resolução sináptica de um pedaço do cérebro humano até o momento, mostrando em detalhes vívidos cada célula e sua rede de conexões neurais em um pedaço do córtex temporal humano com cerca de metade do tamanho de um grão de arroz.
Avanços Tecnológicos em Neurociências
O feito impressionante, publicado na revista Ciência, é o mais recente de uma colaboração de quase 10 anos com cientistas do Google Research, que combinam imagens de microscopia eletrônica de Lichtman com algoritmos de IA para codificar por cores e reconstruir a fiação extremamente complexa dos cérebros dos mamíferos. Os três co-autores do artigo são o ex-pesquisador de pós-doutorado de Harvard Alexander Shapson-Coe; Michał Januszewski, do Google Research, e o pesquisador de pós-doutorado de Harvard, Daniel Berger.
O objetivo final da colaboração, apoiado pelo Iniciativa BRAIN dos Institutos Nacionais de Saúdeé criar um mapa de alta resolução de toda a fiação neural do cérebro de um rato, o que implicaria cerca de 1.000 vezes a quantidade de dados que acabaram de produzir a partir do fragmento de 1 milímetro cúbico do córtex humano.
Insights do mapa cerebral mais recente
“A palavra ‘fragmento’ é irônica”, disse Lichtman. “Um terabyte é, para a maioria das pessoas, gigantesco, mas um fragmento de um cérebro humano – apenas um pedacinho minúsculo de cérebro humano – ainda equivale a milhares de terabytes.”
O mapa mais recente da Science contém detalhes nunca antes vistos da estrutura do cérebro, incluindo um conjunto raro, mas poderoso, de axônios conectados por até 50 sinapses. A equipe também notou estranhezas no tecido, como um pequeno número de axônios que formavam extensas espirais. Como a amostra foi retirada de um paciente com epilepsia, eles não têm certeza se essas formações incomuns são patológicas ou simplesmente raras.
O Campo da Conectômica
O campo de Lichtman é a “conectômica”, que, análoga à genômica, busca criar catálogos abrangentes da estrutura cerebral, até células e conexões individuais. Esses mapas concluídos iluminariam o caminho para novos conhecimentos sobre a função cerebral e as doenças, sobre as quais os cientistas ainda sabem muito pouco.
Os algoritmos de IA de última geração do Google permitem a reconstrução e o mapeamento do tecido cerebral em três dimensões. A equipe também desenvolveu um conjunto de ferramentas publicamente disponíveis que os pesquisadores podem usar para examinar e anotar o conectoma.
Direções futuras
“Dado o enorme investimento colocado neste projeto, era importante apresentar os resultados de uma forma que qualquer outra pessoa pudesse agora beneficiar deles”, disse Viren Jain, colaborador do Google Research.
Em seguida, a equipe abordará a formação do hipocampo do camundongo, que é importante para a neurociência por seu papel na memória e nas doenças neurológicas.
Referência: “Um fragmento de petavoxel do córtex cerebral humano reconstruído em nanoescala resolução” por Alexander Shapson-Coe, Michael Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jacob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain e Jeff W. Lichtman, 10 de maio de 2024, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adk4858
