Uma grande equipe internacional de pesquisadores liderada pela Harvard Medical School e pela Universidade de Princeton alcançou um marco importante na neurociência ao publicar um mapa completo de todas as conexões entre os neurônios do sistema nervoso central da mosca da fruta adulta.
A conquista dá aos cientistas uma nova maneira de estudar como o cérebro e o corpo trabalham juntos para produzir movimentos complexos, incluindo caminhar e voar. Também abre a porta para pesquisas mais amplas sobre as regras básicas que controlam o sistema nervoso.
“Pela primeira vez, olhamos para todos os neurônios e suas conexões como uma unidade completa e perguntamos: ‘O que aprendemos com isso?'”, disse a coautora sênior do estudo, Rachel Wilson, professora Joseph B. Martin de Pesquisa Básica em Neurobiologia no Instituto Blavatnik do Royal College of Physicians and Surgeons.
O primeiro diagrama elétrico completo do cérebro e do corpo da Drosophila
O novo mapa de conexões neurais, chamado conectoma, estende o conectoma publicado anteriormente do cérebro da Drosophila, adicionando o equivalente da medula espinhal da mosca, chamado medula nervosa.
“É importante ter um conectoma do sistema nervoso central o mais completo possível para que possamos conectar o cérebro e o corpo e começar a pensar sobre o comportamento de forma holística”, disse o coautor correspondente do estudo, Wei-Chung Allen Lee, professor associado de neurobiologia na Harvard Medical School e professor de neurologia no Boston Children’s Hospital.
Quando a equipe estudou o conectoma, descobriu que muitos comportamentos das moscas-das-frutas pareciam ser direcionados por circuitos neurais locais em partes relevantes do corpo, e não por uma região de comando central no cérebro.
O conectoma completo é agora Grátis on-linefornecendo aos pesquisadores de todo o mundo um novo e poderoso recurso para pesquisas em neurociências. A pesquisa, publicada em 8 de junho na revista Nature, foi apoiada em parte por fundos federais dos EUA, incluindo a Iniciativa BRAIN (Pesquisa Cerebral através do Avanço de Neurotecnologias Inovadoras), os Institutos Nacionais de Saúde e a Fundação Nacional de Ciência.
Por que a Drosophila é importante na neurociência
Uma das principais questões não respondidas na neurociência é como os neurônios do cérebro e do corpo se conectam e se coordenam para produzir comportamento. A mosca da fruta Drosophila melanogaster é um modelo valioso para explorar esta questão.
As moscas da fruta são fáceis de criar e criar em laboratório. Embora o seu sistema nervoso contenha apenas cerca de 160.000 neurónios, eles ainda podem realizar comportamentos complexos, como navegação, interação social, aprendizagem e resposta a sinais sensoriais. Eles também possuem o que Li descreve como um kit de ferramentas genéticas extremamente sofisticado que permite aos cientistas acessar, controlar e registrar a atividade de neurônios individuais ou grupos de neurônios.
Em 2024, o consórcio FlyWire, liderado por Mala Murthy e Sebastian Seung da Universidade de Princeton (também coautores do novo estudo), publicou um conectoma completo do cérebro da Drosophila. Enquanto isso, Li e seus colegas estão construindo o conectoma do cordão nervoso da mosca, que controla pernas, asas e outros apêndices, ao mesmo tempo que processa informações sensoriais.
“Os conectomas do cérebro e do cordão nervoso têm seus próprios usos, mas até que os dois estejam conectados, é difícil entender como as mensagens se movem entre o cérebro e o corpo”, disse a co-autora Helen Yang, pesquisadora de neurobiologia no Laboratório Wilson.
O cérebro tem a maioria dos neurônios, mas o cordão nervoso contém “alguns dos neurônios mais úteis” porque estão relacionados à sensação, movimento e função, e esses neurônios são muitas vezes mais fáceis de interpretar, disse o co-autor Alexander Bates, pesquisador de neurobiologia no Laboratório Wilson.
Conectando o cérebro ao cordão nervoso
A equipe FlyWire está ansiosa para recorrer ao conjunto de dados do cérebro e do cordão nervoso (BANC) fotografado no laboratório de Lee, disse o co-autor sênior Murthy, professor de neurociência Karol e Marnie Marcin ’96 em Princeton e diretor do Princeton Neuroscience Institute (PNI).
“O novo conectoma representa um grande avanço na capacidade da área de compreender como os circuitos cerebrais recebem feedback do corpo e controlam o comportamento do corpo”, disse ela.
Arie Matsliah, coautor do estudo no PNI, acrescentou: “Pela primeira vez, somos capazes de rastrear o fluxo de informação através de todo o sistema nervoso, da sensação à ação”.
Como os cientistas constroem conectomas
Para criar o conectoma, os pesquisadores cortaram uma mosca da fruta em milhares de fatias seriadas extremamente finas. Eles então usaram microscopia eletrônica para capturar milhões de imagens mostrando neurônios e suas conexões. As ferramentas de IA podem ajudar a alinhar essas imagens e montá-las em um mapa 3D unificado.
O conectoma completo mostra como cada neurônio se conecta a outros neurônios no cérebro e no cordão nervoso no nível de uma única sinapse. O diagrama não cobre todo o corpo da mosca, mas os investigadores usaram neurónios identificáveis e literatura científica anterior para ligar neurónios do sistema nervoso central a neurónios em muitos apêndices e órgãos sensoriais, efetivamente “incorporando” o conectoma.
Os cientistas podem usar conectomas para apresentar novas hipóteses para experimentos de laboratório, disse Li. Ele comparou isso a ter informações detalhadas do Google Maps ao planejar uma rota.
“O conectoma nos mostrou que a maioria das nossas hipóteses eram muito simples. Agora, podemos formular hipóteses mais complexas e continuar os experimentos para testá-las”, disse Li.
Uma surpresa sobre como controlar o movimento
Os pesquisadores usaram conectomas para estudar o controle motor, especificamente como as moscas movem as pernas e outras partes do corpo.
Uma ideia antiga na neurociência é que o cérebro atua como um controlador central, decidindo quais ações um animal irá realizar. O conectoma da Drosophila deu uma resposta diferente.
A equipe de pesquisa descobriu que a maior parte do controle do movimento da mosca ocorre localmente. Por exemplo, o movimento de uma perna é controlado principalmente pelo circuito neural dessa perna. Esses circuitos então se comunicam com circuitos nas outras pernas para produzir movimentos coordenados, como caminhar.
O mesmo padrão aparece em circuitos conectados às asas, boca e outras partes do corpo da mosca. Os pesquisadores também descobriram que os circuitos motores estão conectados a outros tipos de circuitos, incluindo os dos sistemas visual e endócrino, que fornecem informações adicionais que ajudam a moldar o comportamento.
“Nossos resultados mostram que o controle das ações está altamente distribuído entre módulos locais que se conectam e trabalham juntos de diferentes maneiras”, disse Bates.
O que vem a seguir para a pesquisa do conectoma?
Os pesquisadores dizem que o conectoma pode apoiar muitas direções de pesquisas futuras. Young comparou-o ao Projeto Genoma Humano, outro grande recurso aberto usado de muitas maneiras diferentes.
Em breve, a equipe planeja adicionar mais informações ao conectoma, incluindo detalhes sobre os neuropeptídeos, as pequenas moléculas semelhantes a proteínas que os neurônios usam para se comunicar.
Os conectomas também podem revelar princípios fundamentais que se aplicam aos sistemas nervosos de todas as espécies, incluindo os humanos. Bates disse que muitas descobertas na neurociência da Drosophila foram transferidas de invertebrados para mamíferos, incluindo aquelas relacionadas à navegação, olfato e memória.
Outro objetivo, disse Matsliah, é “aplicar o mapa completo do conectoma a organismos mais complexos”. Ele observou que os avanços na inteligência artificial, na computação e na ciência colaborativa aberta estão tornando essa pesquisa cada vez mais possível.
Uma questão importante agora é se o controle neural distribuído observado na Drosophila também existe em outros animais. Li está atualmente estudando essa possibilidade em ratos.
“Eu ficaria chocado se isso fosse exclusivo das moscas”, disse Young. “Não temos este nível de resolução noutros animais, mas sabemos que eles têm muitos destes circuitos locais”.
Lições da Inteligência Artificial
O trabalho também pode ter implicações para a inteligência artificial. Os conectomas fornecem dados biológicos reais que podem ajudar a orientar o projeto de agentes de inteligência artificial que se movem em mundos virtuais. Esses sistemas são cada vez mais utilizados para estudar inteligência e melhorar o treinamento em inteligência artificial.
“Uma das coisas que sempre me surpreende é o quanto esta pequena mosca faz; mesmo os nossos melhores agentes e robôs de inteligência artificial não conseguem fazer tudo o que uma mosca faz”, disse Yang. “A forma como o sistema nervoso está organizado pode conter lições para a inteligência artificial.”
Autoria, Financiamento, Divulgação
Jasper S. Phelps e Minsu Kim também são co-autores do estudo. Jan Drugowitsch é co-autor sênior. Outros autores incluem Zaki Ajabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammed Abdal Mium Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renauld, Farzaan Salman, Janki Patel, Matthew F. Collie, Jingxuan Fan, Diego A. Pacheco, Zhao, Yun Zhang, Yun Zhang, Yun Zhang, Yun Zhang e Yun Zhang, Yun Zhang e Yun Zhang, Yun Zhang, Yun Zhang e Yun Zhang, Capdevila, Ruairí JV Roberts, Eva J. Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moya-Llamas, Zuoyu Zhang, Ryan T. Maloney, Szi-chieh Yu, Amy R. Sterling, Marissa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafet, Sikitas Serafet, Serjan, Ellen K. Jones, Jessica Irmãos: Sarah E. Pierce-Lundgren, Suyi Li, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H. McGinn, Dimitrios Stasi Giakumas, Benjamin Gorko, Emily C. Coffs, Tiada Falter, Alex M. Bonev-Bodini Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J. Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D. Demarest, Emily Behnke, Doug Bland, Anne Kristiansen, Jaime Skelton, Tom Stocks, Dustinner, Anthony Hernium Garvenner, Anthony Hernium, SWireandeiansen, The Dalvenner, Anthony Hernium Fly Dorkenwald, Forrest Collman, Marie P. Suver, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Stephen J. Huston, Tomke Stürner, Gregory SXE Jefferis, Katharina Eichler, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuharal, Tatsuna, Andrew M. Seeds, Stefanie Hampel, Sweta Agrawal, Tatsuatsual, Tatsuna, Tatsuna, Hatsuna. Diane-Yayra Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo e Benjamin L. de Beavort.
O financiamento foi fornecido pelos Institutos Nacionais de Saúde (subsídios R01NS121874; RF1MH117808; U19NS118246; U24NS126935; RF1MH117815; K99NS129759; R00NS11MH117815; K99NS129759; R00NS117657301NS; R01NS140174; Prêmio Smith Family Foundation U24NS13992; R01NS121911; R01DK139131; Research (ZA1296/1-1; EXC2151-390873048; PA787/7-3; PA787/9-3), Nevada IDeA Biomedical Research Excellence Network (GM103440), National Science Foundation (2127379; 2014862) 25K00370), Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia (ASPIRE JPMJAP2302; CRONOS JPMJCS24K2), HHMI Gilliam Fellowship (GT15790), Max Planck Society, Shanahan Family Foundation, Kempner Postgraduate Fellowship, Medical Research Council (MC_EX_MR/T0 Os autores também reconhecem que este trabalho se beneficiou do HMS. O cluster de computação de alto desempenho O2 apoiado pela equipe de computação de pesquisa.
A Universidade de Harvard apresentou um pedido de patente GridTape (WO2017184621A1) em nome de W. Lee e outros inventores, e negociou acordos de licenciamento com parceiros interessados. Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae e Seung declaram interesse financeiro na Zetta AI. Seung declara interesse financeiro na Memazing, Inc. Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs e Moya-Llamas declaram interesse financeiro na Aelysia Ltd. Perlman é diretor da Yikes LLC.
