Uma equipe de pesquisa japonesa recriou com sucesso os principais circuitos neurais humanos em laboratório usando pequenos modelos cerebrais multirregionais chamados montagens. As estruturas são cultivadas a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPS) e são projetadas para imitar a forma como diferentes partes do cérebro humano se conectam e se comunicam. Usando este sistema, os cientistas demonstraram que o tálamo desempenha um papel central na formação de circuitos neurais especializados dentro do córtex cerebral humano.
A pesquisa está publicada na revista Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América.
Por que os circuitos neurais corticais são importantes
O córtex cerebral contém muitos tipos diferentes de neurônios que devem comunicar-se efetivamente entre si e com outras áreas do cérebro. Essas conexões são críticas para as funções cerebrais centrais, incluindo percepção, pensamento e cognição.
Em pessoas com distúrbios do neurodesenvolvimento, como o transtorno do espectro do autismo (TEA), esses circuitos corticais geralmente se desenvolvem ou funcionam de maneira anormal. Portanto, compreender como os circuitos neurais se formam e amadurecem é fundamental para descobrir as raízes biológicas destas doenças e desenvolver novos tratamentos.
O tálamo e seu papel na fiação cerebral
Os primeiros estudos em roedores sugeriram que o tálamo desempenha um papel importante na organização dos circuitos neurais corticais. No entanto, como o tálamo e o córtex interagem durante a formação do circuito no cérebro humano permanece em grande parte desconhecido.
Estudar este processo diretamente em humanos é difícil devido a restrições éticas e técnicas na obtenção de tecido cerebral. Para superar esses desafios, os cientistas estão recorrendo aos organoides, estruturas tridimensionais cultivadas a partir de células-tronco que se assemelham a órgãos reais.
De organoides a montagens
Embora os organoides sejam úteis, um único organoide não pode capturar as interações complexas entre as diferentes regiões do cérebro. Para estudar de forma mais realista a formação de circuitos neurais, os pesquisadores usam montagens, que são criadas pela combinação física de dois ou mais organoides.
O professor Fumitaka Osakada, o estudante de graduação Masatoshi Nishimura e seus colegas da Escola de Pós-Graduação em Farmácia da Universidade de Nagoya desenvolveram uma montagem que simula a interação entre o tálamo e o córtex.
A equipe primeiro isolou organoides corticais e talâmicos de células iPS humanas. Esses organoides foram então fundidos, permitindo aos pesquisadores observar como as duas regiões do cérebro interagem durante o desenvolvimento.
Mini circuitos cerebrais que se comportam como objetos reais
Os pesquisadores observaram que as fibras nervosas do tálamo cresciam em direção ao córtex e as fibras corticais se estendiam em direção ao tálamo. Essas fibras formam sinapses entre si, assim como as conexões do cérebro humano.
Para avaliar como esta interação afeta o desenvolvimento, a equipe comparou a expressão genética nas regiões corticais dos corpos combinados com a dos organoides corticais individuais. O tecido cortical conectado ao tálamo apresenta sinais de maior maturação, sugerindo que a comunicação tálamo-cortical promove o crescimento e desenvolvimento cortical.
Sinais do tálamo impulsionam a sincronização neural
Os cientistas também estudaram como os sinais viajam pela montagem. Eles descobriram que a atividade neural se propaga do tálamo para o córtex em um padrão ondulatório, gerando atividade sincronizada na rede cortical.
Para entender quais neurônios estavam envolvidos, a equipe mediu a atividade de três tipos principais de neurônios excitatórios corticais: intratelencefálico (IT), do trato piramidal (PT) e corticotalâmico (CT).
Atividade síncrona foi observada em neurônios PT e CT, ambos enviando sinais de volta ao tálamo. Os neurônios IT não se projetam para o tálamo e, portanto, não apresentam a mesma sincronia. Isto sugere que a entrada talâmica fortalece seletivamente tipos específicos de neurônios, ajudando-os a formar redes coordenadas e a alcançar a maturação funcional.
Nova ferramenta para estudar doenças cerebrais
Ao reconstruir com sucesso os circuitos neurais humanos usando montagens, os pesquisadores estabeleceram uma nova plataforma poderosa para estudar como os circuitos cerebrais se formam, funcionam e diferem entre os diferentes tipos de células.
Osakata explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Fizemos progressos significativos na nossa abordagem construtivista para compreender o cérebro humano através da replicação. Acreditamos que estas descobertas ajudarão a acelerar a descoberta de mecanismos subjacentes às doenças neurológicas e psiquiátricas, bem como o desenvolvimento de novos tratamentos”.
