Uma tecnologia baseada no código de barras do DNA pode facilmente marcar um número sem precedentes de conexões entre células cerebrais individuais. A inesperada complexidade do sistema visual é apenas o primeiro dos segredos que ela descobriu.
Sentado em uma mesa em seu escritório no campus de
Cold Spring Harbor Lab , o neurocientista
Tony Zador virou o monitor do computador em minha direção para mostrar um gráfico complexo na forma de uma matriz. Imagine uma planilha que, em vez de números, seja preenchida com cores de vários tons e gradações. De passagem, ele disse: "Quando digo às pessoas que entendi as conexões de dezenas de milhares de neurônios e as mostro isso, em resposta elas apenas dizem" Ah? ". Mas quando mostro às pessoas isso ..." Ele apertou o botão e uma tela transparente apareceu um modelo tridimensional do cérebro, girando em torno de um dos eixos, preenchido por nós e linhas, em uma quantidade muito grande para ser contada. "Eles dizem:" O que ...! "
Zador me mostrou um mapa de 50.000 neurônios no córtex cerebral do mouse. Estava marcado onde os corpos de todos os neurônios estão localizados e onde eles direcionam seus longos ramos axônicos. Mapas neurais desse tamanho e detalhe nunca foram antes. Zador abandonou a abordagem tradicional de construir um mapa cerebral através da marcação fluorescente de neurônios e optou por uma tecnologia incomum baseada em uma longa tradição de pesquisa em biologia molecular em Cold Spring Harbor, em Long Island. Ele usou partículas de informação do genoma para introduzir uma sequência única de RNA, ou código de barras, em cada neurônio individual. Então ele cortou o cérebro em cubos e os alimentou com o seqüenciador de DNA. O resultado foi uma imagem tridimensional de 50.000 neurônios do córtex cerebral do mouse (e em breve serão adicionados mais a eles), com resolução de células individuais.
Este trabalho,
magnum opus Zador, ainda está passando por uma série de aprimoramentos e correções antes da publicação. Mas, em um artigo recente publicado na revista Nature
, eles e colegas demonstraram que essa técnica, conhecida como MAPseq (Análise Multiplexada de Projeções por Sequenciação), pode ser usada para procurar novos tipos e padrões de células que eram desconhecidos anteriormente. . Também foi demonstrado no trabalho que esse método altamente produtivo de marcação está em séria competição pela precisão da técnica fluorescente, que é o padrão atual, mas funciona melhor com apenas um pequeno número de neurônios.
Tony ZadorEste projeto nasceu devido à insatisfação de Zador com seu trabalho "principal" de rotina como neurofisiologista, como ele fala secamente sobre isso. Ele estuda a influência da audição na tomada de decisão em roedores: como o cérebro deles ouve sons, processa informações de áudio e determina uma resposta ou ação comportamental. Registros eletrofisiológicos e outras ferramentas tradicionais usadas para resolver esses problemas não satisfaziam o cientista que gosta de matemática. O problema, diz Zador, é que não conhecemos bem as conexões neurais; portanto, em um emprego de meio período, ele está tentando criar novas ferramentas para adquirir imagens do cérebro.
O estado atual da tecnologia avançada de mapeamento cerebral é o projeto do
Atlas Cerebral Allen Atlas , que foi montado como resultado de vários anos de trabalho em muitos laboratórios e custou cerca de US $ 25 milhões.O atlas Allen é conhecido como um atlas de conexões de massa porque rastreia subpopulações de neurônios e seus compostos do grupo. Ele foi muito útil para os pesquisadores, mas não é capaz de fazer diferenças sutis que existem dentro de grupos ou subpopulações de neurônios.
Se quisermos saber como o mouse ouve um trinado alto, processa e entende que o som significa a aparência de uma recompensa na forma de uma bebida refrescante ou forma uma nova memória, para recuperar a ameaça posteriormente, precisamos começar com um mapa ou um diagrama de conexão cerebral . Do ponto de vista de Zador, a falta de conhecimento sobre esses compostos desempenha um papel no por que o progresso no tratamento de doenças psiquiátricas é tão lento e no porquê a inteligência artificial ainda não é inteligente o suficiente.
Justus Kebskul , neurocientista da Universidade de Stanford, autor de um novo trabalho para a Nature e ex-aluno de pós-graduação do laboratório de Zadora, observou que fazer neurociência sem conhecer as conexões é como "tentar entender como um computador funciona olhando para fora, colocando-o em um eletrodo e tentando entender o que pode ser encontrado lá. Não sabendo que o disco rígido está conectado ao processador e o USB transfere os dados de entrada para o sistema, é muito difícil entender o que está acontecendo. "
A inspiração para o desenvolvimento do SAPsec chegou a Zador quando ele descobriu mais uma tecnologia de mapeamento cerebral chamada
Brainbow [célula nervosa colorante com proteínas fluorescentes em cores diferentes; cérebro - cérebro, arco-íris - arco-íris / aprox. transl.]. Esse método, que apareceu no laboratório de
Jeff Lichtman, da Universidade de Harvard, é notável pelo fato de ser capaz de marcar geneticamente até 200 neurônios individuais ao mesmo tempo, usando diferentes combinações de cores fluorescentes. O resultado foi uma pitoresca
imagem multicolorida de neurônios de cores neon, mostrando em detalhes uma complexa mistura de axônios e corpos de neurônios. Este trabalho revolucionário deu esperanças de que o layout da
conexão , uma descrição completa de todas as conexões nervosas do cérebro, se aproximasse da realidade. Infelizmente, a limitação dessa tecnologia na prática era que, quando vistos através de um microscópio, os pesquisadores podiam reconhecer de cinco a dez cores diferentes, o que não era suficiente para penetrar nos meandros dos neurônios no córtex cerebral e marcar muitos neurônios ao mesmo tempo.
Foi então que surgiu uma ideia na cabeça de Zador. Ele percebeu que o problema da extrema complexidade de um conectoma poderia ser domado se os pesquisadores conseguissem adaptar às suas necessidades as velocidades crescentes e o custo decrescente das tecnologias altamente produtivas de sequenciamento de genoma. "Em matemática, isso se chama reduzir o problema ao anterior, já resolvido", explicou.
No
SAPsec, os pesquisadores introduzem vírus geneticamente modificados em um animal que carrega muitas seqüências conhecidas de RNA, ou "códigos de barras". Durante cerca de uma semana, os vírus se multiplicam no corpo do animal e enchem cada neurônio com uma combinação única desses códigos de barras. Quando os pesquisadores cortam o cérebro em pedaços, os códigos de barras de RNA podem ajudá-los a rastrear neurônios individuais de peça em peça.
A idéia de Zador levou a um
novo trabalho na Nature, no qual seu laboratório e equipe da University College London, sob a orientação do neurocientista
Thomas Marsik-Flögel, usaram o SAPsec para rastrear as conexões de quase 600 neurônios no sistema visual do mouse.
600 neurônios é um começo modesto em comparação com dezenas de milhões de neurônios contidos no cérebro do rato. Mas isso foi suficiente para um determinado objetivo que os pesquisadores estabeleceram para si mesmos. Eles queriam entender se havia uma estrutura no circuito do cérebro que pudesse lançar luz sobre seu trabalho. A teoria popular é que, no córtex visual, os neurônios individuais coletam informações separadas dos olhos - sobre as bordas dos objetos à vista, ou sobre o tipo de movimento ou orientação espacial, por exemplo. O neurônio envia um sinal para uma área correspondente do cérebro especializada no processamento desse tipo de informação.
Um exemplo de como o SAPsec pode determinar as conexões de muitos neurônios:
Pontos coloridos indicam a localização dos corpos de 50.000 neurônios no córtex do mouse
Conexões axônicas de apenas dois neurônios que terminam em outro lugar no cérebro
Vias nervosas de muitos neurôniosPara testar sua teoria, a equipe primeiro marcou vários neurônios do mouse da maneira tradicional, introduzindo corantes fluorescentes geneticamente codificados em células individuais. Então, com um microscópio, eles rastrearam como as células se estendiam do córtex visual principal para outras partes do cérebro. Eles descobriram que os axônios dos neurônios se ramificavam e enviavam informações para várias partes do cérebro de uma só vez, o que refutava a teoria das conexões um a um.
Então eles começaram a procurar padrões nesses relacionamentos. Eles usaram o SAPsec para rastrear as conexões de 591 neurônios que ramificaram e inervaram diferentes alvos. A equipe viu que a distribuição dos axônios obedece a regularidades: alguns neurônios sempre estendem os axônios às seções, digamos, A, B e C, e nunca às seções D ou E.
Os resultados sugerem que o sistema visual possui relacionamentos extremamente complexos e que os padrões dessas conexões são muito mais complexos do que apenas um relacionamento individual. "As áreas visuais de alto nível não recebem apenas informações especialmente processadas para elas", disse Kebskul. Em vez disso, muitos sites recebem as mesmas informações "para que seus cálculos possam ser relacionados entre si".
No entanto, o fato de certas células terem conexões com certas áreas também significa que células especializadas, ainda não abertas, estão localizadas no córtex visual. Kebskul disse que este mapa é semelhante a projetos que permitirão que futuros pesquisadores entendam o que essas células fazem. “O SAPsec permite criar um mapa de hardware. Assim que lidamos com o equipamento, podemos começar a trabalhar com o software e o processo de cálculo ”, afirmou.
A vantagem competitiva do SAPsec em velocidade e custo é muito significativa. De acordo com Zador, essa tecnologia deve ser capaz de aumentar sua escala para 100.000 neurônios, processando esse volume em algumas semanas e por apenas US $ 10.000 - isso é muito mais rápido que os métodos tradicionais de marcação e muito mais barato que eles.
Tais vantagens tornarão a tarefa de marcar e comparar as vias neurais de muitos cérebros uma tarefa mais realista. O estudo de condições como
esquizofrenia e
autismo , que se acredita surgirem de diferenças nas conexões cerebrais, muitas vezes incomodou os cientistas porque as ferramentas disponíveis não são capazes de reconhecer muitos pequenos detalhes sobre as conexões neurais. Pode-se imaginar que os pesquisadores serão capazes de construir um mapa dessas condições para os ratos e compará-los com exemplos mais típicos de mapas cerebrais, o que estimulará uma nova onda de pesquisas. "Muitas doenças mentais são causadas por problemas de conectividade", disse
Hon Kui Zen , diretor executivo do departamento de ciências estruturadas do Instituto Allen para Pesquisa do Cérebro. "As informações do relacionamento lhe dirão onde procurar respostas."
A marcação detalhada também permitirá que os cientistas coletem uma grande quantidade de dados neurobiológicos e procurem padrões entre eles que reflitam os princípios gerais da função cerebral. "Tony olha o cérebro com um olhar sem distorções", disse
Shrikant Chalasani , neurocientista molecular do Salk Institute. "Assim como o mapa do genoma humano forneceu suporte para testar hipóteses e procurar padrões nas seqüências e no trabalho dos genes, o método Tony pode fazer o mesmo em questões de arquitetura cerebral."
Um mapa detalhado do genoma humano não explicou instantaneamente todos os mistérios do trabalho da biologia, mas forneceu uma lista de "peças sobressalentes" biomoleculares e abriu o caminho para
uma galáxia de pesquisas revolucionárias . Da mesma forma, no estágio atual de desenvolvimento, o SAPsec não pode fornecer informações sobre a operação ou o local das células que rotula, nem mostrar quais células se comunicam. Mas Zador planeja adicionar essa funcionalidade em breve. Ele também trabalha em colaboração com cientistas que estudam várias partes do cérebro, por exemplo, conexões neurais que processam o medo.
“Acho que de todos esses vínculos muitas idéias podem ser extraídas. Mas isso, como no genoma - por si só, não é algo interessante, as coisas que ele permite que você faça são revolucionárias. Portanto, estou com uma emoção tão alegre ”, disse Zador. "Espero que essa tecnologia forneça suporte para a próxima geração de trabalho nesta área."