Mapeando a complexidade do cérebro humano: Um novo atlas científico
Hoje, uma equipe internacional de cientistas divulgou um mapa extraordinariamente detalhado das células do cérebro humano, revelando a incrível diversidade de neurônios presentes. Este atlas abrangente foi publicado em uma coleção de 21 artigos na revista Science, cada um oferecendo perspectivas complementares sobre duas questões fundamentais: Quais são os diversos tipos de células no cérebro e o que diferencia o cérebro humano dos de outros animais?
Tentar mapear o cérebro inteiro, com seus centenas de bilhões de células intricadamente entrelaçadas, é como traçar cada estrela na Via Láctea. No entanto, assim como telescópios avançados aprimoraram a compreensão dos astrônomos sobre o universo, as ferramentas analíticas apresentadas nesta pesquisa oferecem aos neurocientistas uma “resolução sem precedentes para examinar as células cerebrais, abrindo novas perspectivas para entender a função cerebral”, como afirmou Andrea Beckel-Mitchener, diretora adjunta da BRAIN Initiative do Instituto Nacional de Saúde dos Estados Unidos, que financiou o projeto do atlas de células.
Com esse mapa abrangente de tipos de células, os cientistas estão se aproximando da compreensão de como os neurônios funcionam e de como os distúrbios cerebrais interferem em seu funcionamento. Como observou Bing Ren, professor de medicina celular e molecular da UC San Diego e um dos principais pesquisadores do projeto do atlas, “Este é um passo crucial para definir a paisagem celular intricada do cérebro”, acrescentando que os resultados superaram as expectativas.
Embora este não seja o primeiro atlas de células cerebrais, ele é notavelmente detalhado. Essa coleção de 21 estudos relata as descobertas do programa de financiamento de cinco anos da BRAIN Initiative, conhecido como BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN), que recebeu uma alocação de US$ 100 milhões do NIH. O objetivo era catalogar os tipos de células cerebrais com maior profundidade do que nunca, tornando-o um dos esforços científicos em equipe mais ambiciosos em neurociência, comparável em escopo ao Projeto Genoma Humano, de acordo com Beckel-Mitchener.
Historicamente, a complexidade do cérebro humano tem sido um desafio formidável. Com inúmeros componentes interconectados, o cérebro não é um órgão único, mas mais como mil órgãos distintos, como descreveu Ed Lein, pesquisador sênior do Instituto Allen de Ciência do Cérebro e uma figura-chave no projeto do atlas.
Antes desse conjunto de dados, a complexidade do cérebro era principalmente teórica. Amy Bernard, diretora de ciências da vida da Fundação Kavli, destacou que o conjunto de dados agora permite aos pesquisadores visualizar a diversidade celular e enfrentar essa complexidade.
Os neurocientistas costumam ver o cérebro em termos de conexões entre células, como um diagrama de fiação. No entanto, para entender a diversidade das células cerebrais, os cientistas têm emprestado técnicas da genômica. Embora todas as células cerebrais compartilhem o mesmo DNA, elas usam conjuntos diferentes de genes para determinar as proteínas que produzem, o que, por sua vez, molda sua aparência, desenvolvimento e conectividade com outras células.
Embora uma fase anterior da BRAIN Initiative tenha criado um mapa celular do cérebro do rato, adaptar essas técnicas ao cérebro humano, que é aproximadamente 15 vezes maior e possui mil vezes mais neurônios, apresentou desafios significativos. O principal objetivo era ampliar os métodos desenvolvidos para ratos para lidar com o tamanho do cérebro humano.
Esse esforço monumental envolveu a colaboração de 250 pesquisadores de 45 instituições em todo o mundo. Amostras de tecido de três cérebros humanos doados foram distribuídas entre os laboratórios, com biólogos moleculares sequenciando o DNA e biólogos computacionais analisando os resultados.
Um dos estudos liderados por Bing Ren examinou os interruptores moleculares responsáveis por ativar e desativar diversos genes – configurações internas que determinam o tipo de célula em que um neurônio se torna – em mais de um milhão de células cerebrais humanas. Surpreendentemente, eles identificaram mais de 100 tipos distintos de células em 42 regiões cerebrais diferentes, superando as expectativas.
Com esse extenso conjunto de dados, a equipe utilizou modelos de aprendizado profundo para decifrar sequências genéticas longas e prever como variantes de sequências não codificantes, que são trechos de DNA difíceis de interpretar sem instruções para a codificação de proteínas, influenciam a identidade celular. Essa abordagem foi comparada a ler um livro em um idioma estrangeiro no início, mas a aprendizagem de máquina permitiu a extração de padrões ocultos e insights além da compreensão humana.
Esta pesquisa nos aproxima da identificação de como as células individuais funcionam com base na regulação de seus genes, com foco em tipos de células relacionados a distúrbios neuropsiquiátricos como esquizofrenia e doença de Alzheimer. Em última análise, o objetivo é rastrear as doenças cerebrais até suas origens genéticas e desenvolver tratamentos direcionados, uma perspectiva descrita como “o Santo Graal da pesquisa genética humana” por Jennifer Erwin, geneticista molecular e neurocientista do Instituto Lieber para Desenvolvimento do Cérebro, que não esteve envolvida no projeto.
Embora esse objetivo ainda esteja no horizonte, ele está ao alcance. A BRAIN Initiative continua a buscar pesquisas adicionais, com foco na tradução de métodos de cérebros de ratos para humanos e macacos, caracterização de tipos de células e identificação de distinções moleculares exclusivas em humanos.
Apesar da riqueza de informações fornecidas por este atlas de células cerebrais, ele não lança luz sobre a conectividade ou como os neurônios formam redes e se comunicam em diferentes regiões cerebrais. O Projeto do Conectoma Humano buscou mapear as vias de fibras neurais há mais de uma década, mas entender como essas conexões são estabelecidas, como evoluem ao longo do tempo e seu papel na geração de pensamentos e comportamentos requer investigações adicionais.
Notavelmente, os estudos incluídos nesta coleção analisaram principalmente amostras de tecido de três homens neurotipicamente saudáveis de ascendência europeia. Essa limitação decorre do compromisso entre detalhes moleculares e diversidade ao realizar experimentos nessa escala. Embora as agências de financiamento geralmente priorizem a geração de novos dados, a reutilização dos dados existentes deste extenso atlas será essencial para futuras pesquisas.
Agora que este abrangente atlas está disponível online, há um apelo para que o financiamento seja direcionado aos pesquisadores que desejam explorar sua riqueza de informações para fins que variam desde a descoberta de medicamentos até a pesquisa clínica. Este feito lança as bases para uma nova era na neurociência, nos aproximando da possibilidade de tratamentos personalizados para distúrbios cerebrais, embora de forma incremental. [Wired]
