Cientistas desenvolveram uma nova e poderosa técnica para mapear as conexões entre as células do cérebro, utilizando “códigos de barras” moleculares para marcar os neurônios. Com esse método, conseguiram traçar milhares de conexões neurais no cérebro de camundongos com uma rapidez e detalhes impressionantes.
Esse novo método pode aprofundar a compreensão sobre a organização e o funcionamento das complexas redes cerebrais. Além disso, pode oferecer insights sobre o que acontece de errado em distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Quando se projeta um computador, é necessário conhecer a fiação da unidade central de processamento. Se você não souber como tudo está conectado, não consegue compreender seu funcionamento, otimizá-lo ou consertá-lo quando algo dá errado. Estamos abordando o cérebro da mesma forma”, disse o líder do estudo, Boxuan Zhao, professor de biologia celular e do desenvolvimento na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
“Nossa tecnologia permite o mapeamento simultâneo de milhares de conexões neurais com resolução de sinapses únicas — uma capacidade que não existe em nenhuma tecnologia atual. Isso é diretamente aplicável à compreensão da disfunção nos circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas guiadas por circuitos”, afirmou ele.
Os resultados foram publicados na revista Nature Methods.
Uma Abordagem Mais Rápida e Detalhada para Mapear o Cérebro
O mapeamento do cérebro tem sido tradicionalmente um processo lento e difícil. Os cientistas costumavam ter que cortar o tecido cerebral em seções extremamente finas, imaginar as imagens com microscópios e montar manualmente os caminhos. Embora as novas ferramentas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios ao mesmo tempo, geralmente mostram onde um neurônio se estende, em vez de identificar exatamente quais células estão conectadas na sinapse, disse Zhao.
Para superar essa limitação, a equipe de Zhao criou uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Ela atribui a cada neurônio um “código de barras” de RNA único. Proteínas especializadas transportam esses códigos de barras do corpo principal do neurônio até a sinapse, o ponto em que dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolam essas sinapses e usam sequenciamento de alta capacidade para ler quais pares de códigos de barras são encontrados juntos. Isso revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo que os cientistas mapeiem redes em grande escala.
Transformando a Fiação Cerebral em um Problema de Sequenciamento
“Traduzimos o problema da conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine um grande monte de balões. O corpo principal de cada balão tem adesivos de código de barras únicos e alguns se movem para a extremidade da corda. Se dois balões estão amarrados juntos na extremidade, os dois códigos de barras se encontram na junção”, explicou Zhao. “Depois, cortamos os nós e sequenciamos os códigos de barras em cada um. Se o mesmo nó tiver adesivos do balão A e do balão B, sabemos que esses dois balões estão amarrados. Estamos fazendo isso no cérebro, mas no nível de milhares de células neuronais. Com essas informações, podemos reconstruir um mapa sofisticado que representa as conexões entre todos esses grupos aparentemente flutuantes.”
Descobrindo Novas Conexões nos Circuitos Cerebrais
Usando a Connectome-seq, a equipe mapeou mais de 1.000 neurônios em um circuito cerebral conhecido como circuito pontocerebelar, que conecta duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade previamente desconhecidos, incluindo ligações diretas entre tipos celulares que não se sabia estarem conectados no cérebro adulto.
“Com melhorias já em andamento em nosso laboratório, estamos confiantes de que podemos torná-la ainda melhor e eventualmente alcançar o objetivo de mapear todo o cérebro de camundongos”, disse Zhao.
Potencial para Transformar Pesquisas sobre Alzheimer e Doenças Cerebrais
Por ser rápida e escalável, a Connectome-seq pode acelerar significativamente a pesquisa sobre doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais em indivíduos saudáveis com aqueles em diferentes estágios de doenças, os cientistas talvez consigam identificar alterações precoces nos circuitos neurais.
“Com abordagens baseadas em sequenciamento, o tempo e o custo são drasticamente reduzidos, o que realmente torna possível observar diferenças entre os cérebros. Poderíamos ver onde as conexões mudam, onde as partes mais vulneráveis do cérebro estão, talvez antes mesmo de os sintomas aparecerem”, disse Zhao. “Por exemplo, se conseguirmos identificar exatamente onde está o elo fraco que inicia toda a cascata catastrófica na doença de Alzheimer, podemos fortalece essas conexões para que a doença desacelere ou não progrida.”
A pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Iniciativa Neuro-ômica do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford, além de financiamento da Elsa U. Pardee Foundation e da Edward Mallinckrodt Jr. Foundation.
