Desvendando as complexidades ocultas do cérebro humano

Pesquisadores usaram microscopia eletrônica de alta resolução para obter imagens de um pequeno pedaço de tecido cerebral humano, gerando um mapa 3D de mais de 57.000 células e quase 150 milhões de sinapses. Suas descobertas revelam detalhes intrincados sobre tipos de células e conexões, destacando a complexidade do cérebro e avançando o campo da conectômica.

• Pesquisadores geraram um mapa de alta resolução de todas as células e conexões em um único milímetro cúbico do cérebro humano.
• Os resultados revelam detalhes nunca antes vistos da estrutura do cérebro e fornecem um recurso para estudos futuros.

Entender completamente como o cérebro humano funciona requer conhecer as relações entre as várias células que compõem o cérebro. Isso envolve visualizar a estrutura do cérebro na escala de nanômetros para ver as conexões entre os neurônios.

Técnicas de Imagem e Metodologia de Pesquisa

Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Dr. Jeff Lichtman da Universidade Harvard e pelo Dr. Viren Jain do Google Research, usou microscopia eletrônica (EM) para obter imagens de um pedaço de tecido cerebral humano do tamanho de um milímetro cúbico em alta resolução. O tecido foi removido do córtex cerebral de um paciente como parte de uma cirurgia para epilepsia.

A equipe começou cortando o tecido em mais de 5.000 fatias, ou seções, cada uma das quais foi então imageada por ME. Isso rendeu cerca de 1,4 petabytes, ou 1.400 terabytes, de dados. Usando esses dados, os pesquisadores geraram uma reconstrução 3D de quase todas as células da amostra. Os resultados do estudo financiado pelo NIH foram publicados no periódico Ciência.

Pesquisadores construíram uma imagem 3D de quase todos os neurônios e suas conexões dentro de um pequeno pedaço de tecido cerebral humano. Esta imagem mostra seis camadas de neurônios, coloridas de acordo com o tamanho do núcleo central de cada célula. Crédito: Google Research e Lichtman Lab, Harvard University. Renderizações por D. Berger, Harvard

Resultados detalhados e análise celular

A análise de células individuais na amostra revelou um total de mais de 57.000 células. A maioria delas eram neurônios, que enviam sinais elétricos, ou glia, que fornecem várias funções de suporte aos neurônios. A glia superou os neurônios em 2 para 1. As células gliais mais comuns foram os oligodendrócitos, que fornecem suporte estrutural e isolamento elétrico aos neurônios. A amostra de um mm cúbico também continha cerca de 230 mm de vasos sanguíneos.

A reconstrução revelou detalhes estruturais nunca vistos antes. Os pesquisadores analisaram um tipo de neurônio, chamado células triangulares, que são encontradas na camada mais profunda do córtex cerebral. Muitas delas adotaram uma de duas orientações, que eram imagens espelhadas uma da outra. O significado dessa organização permanece desconhecido.

Sinapses e Conexões

A equipe usou Aprendizado de máquina para identificar sinapses — as junções através das quais os sinais passam de uma célula para outra. Eles encontraram quase 150 milhões de sinapses. Quase todos os neurônios formaram apenas uma sinapse com uma dada célula alvo. Mas uma pequena fração formou duas ou mais sinapses para o mesmo alvo.

Em pelo menos um caso, mais de 50 sinapses conectaram um único par de células. Embora raras, conexões de sete ou mais sinapses entre células foram muito mais comuns do que o esperado por acaso. Isso sugere que essas conexões fortes têm algum significado funcional.

Conectômica e a complexidade do cérebro

Os resultados ilustram o quão complexo o cérebro é no nível celular. Eles também mostram o valor da conectômica — a ciência de gerar mapas abrangentes de conexões entre células cerebrais — para entender a função cerebral.

“A palavra ‘fragmento’ é irônica”, diz Lichtman. “Um terabyte é, para a maioria das pessoas, gigantesco, mas um fragmento de um cérebro humano — apenas um minúsculo e minúsculo pedaço de cérebro humano — ainda é milhares de terabytes.”

A equipe disponibilizou seu conjunto de dados ao público. Eles também forneceram várias ferramentas de software para ajudar a examinar o mapa cerebral. A esperança é que estudos posteriores dos dados, por esta equipe e outras, produzam novos insights sobre o funcionamento do cérebro humano.

“Este avanço incrível — a capacidade de capturar e processar mais de 1.000 terabytes de dados do cérebro — não teria sido possível sem a generosa doação de um participante do estudo e as importantes parcerias entre neurocientistas, cientistas da computação e engenheiros”, diz o Dr. John Ngai, diretor da Iniciativa BRAIN do NIH. “Essas colaborações são centrais em nosso objetivo de construir um mapa completo do cérebro humano para que possamos levar as curas para mais perto da clínica.”

Para mais informações sobre esta pesquisa:

• Harvard e Google criam mapa cerebral 3D de 1.400 terabytes detalhadamente detalhado
• Mapeamento 3D em nanoescala revela insights revolucionários sobre a estrutura do cérebro

Referência: “Um fragmento de petavoxel do córtex cerebral humano reconstruído em nanoescala resolução” por Alexander Shapson-Coe, Michał 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, Jakob 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