Os pesquisadores desenvolveram um novo método poderoso para mapear como as células cerebrais estão conectadas, rotulando os neurônios com “códigos de barras” moleculares. Usando essa técnica, eles conseguiram mapear milhares de conexões neurais no cérebro do rato com velocidade e detalhes impressionantes.
Esta abordagem poderia levar a uma compreensão mais profunda de como as redes cerebrais complexas são organizadas e como funcionam. Também pode revelar o que acontece de errado nos distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Quando você projeta um computador, você precisa entender o circuito da unidade central de processamento. Se você não sabe como todas as partes estão conectadas entre si, você não pode entender sua função, otimizá-lo ou consertá-lo quando ele quebra. Estamos estudando o cérebro da mesma maneira”, disse o líder do estudo Boxuan Zhao, professor de biologia celular e do desenvolvimento na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
“Nossa tecnologia é capaz de mapear milhares de conexões neurais simultaneamente com resolução de sinapse única, uma capacidade não presente em nenhuma tecnologia atual”, disse ele. “Tem aplicação direta na compreensão da disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas guiadas por circuitos”.
Resultados de pesquisa publicados em revista método natural.
Uma maneira mais rápida e detalhada de mapear o cérebro
Mapear o cérebro tem sido tradicionalmente lento e difícil. Os cientistas muitas vezes têm que cortar o tecido cerebral em fatias extremamente finas, fotografá-las com um microscópio e depois juntar manualmente as vias. Zhao disse que, embora novas ferramentas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios simultaneamente, elas geralmente mostram onde um neurônio se estende, em vez de identificar as células exatas que ele conecta nas sinapses.
Para superar esta limitação, a equipe de Zhao criou uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Ele atribui um “código de barras” de RNA exclusivo a cada neurônio. Proteínas especiais transportam esses códigos de barras do corpo do neurônio até a sinapse, onde dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolaram essas sinapses e usaram sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras foram encontrados juntos. Isto revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo aos cientistas mapear redes em escala.
Transformando a fiação cerebral em um problema de sequenciamento
“Transformamos o problema de conexão neural em um problema de sequenciamento. Imagine uma grande pilha de balões. Cada balão tem um adesivo de código de barras exclusivo em seu corpo, alguns se movendo para baixo até o final do barbante. Se dois balões forem amarrados no final, os dois códigos de barras se encontrarão na conexão”, disse Zhao. “Depois cortamos os nós e classificamos os códigos de barras em cada nó. Se o mesmo nó tiver adesivos para o Balão A e o Balão B, sabemos que os dois balões estão amarrados. Fazemos isso no cérebro, ao nível de milhares de células neuronais. Com esta informação, podemos reconstruir um mapa aparentemente complexo que representa as conexões entre todos esses mapas aparentemente flutuantes.”
Descubra novas conexões de circuitos cerebrais
Usando o Connectome-seq, a equipe mapeou mais de 1.000 neurônios em um circuito cerebral de camundongo chamado circuito cerebelopontino, que conecta duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade anteriormente desconhecidos, incluindo conexões diretas entre tipos de células desconhecidos no cérebro adulto.
“Com as melhorias que o nosso laboratório já fez, estamos confiantes de que podemos fazer melhor e, eventualmente, atingir o objetivo de mapear todo o cérebro do rato”, disse Zhao.
O potencial para transformar a pesquisa sobre Alzheimer e doenças cerebrais
Como o Conectoma-seq é rápido e escalável, ele pode acelerar significativamente a pesquisa em doenças neurodegenerativas, distúrbios psiquiátricos e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais entre indivíduos saudáveis e diferentes estágios da doença, os cientistas poderão identificar mudanças precoces nos circuitos neurais.
“Com a abordagem baseada em sequenciamento, o tempo e o custo são bastante reduzidos, o que realmente nos permite ver diferenças em diferentes cérebros. Podemos ver mudanças na conectividade, onde estão as partes mais vulneráveis do cérebro, mesmo antes do aparecimento dos sintomas”, disse Zhao. “Por exemplo, se pudéssemos identificar o elo fraco que desencadeia toda a cascata catastrófica da doença de Alzheimer, poderíamos fortalecer especificamente as ligações com locais onde a doença abranda ou não progride?”
A pesquisa foi apoiada por doações do Programa Neuromics do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford e por doações da Fundação Elsa U. Pardee e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
