As equipes do Google e Harvard publicaram um mapa complexo de cada célula e conexão em um milímetro cúbico do cérebro humano.
A região mapeada abrange as várias camadas e tipos de células do córtex cerebral, uma região do tecido cerebral associada a um nível de cognição superior, como pensamento, planejamento e linguagem.
De acordo com o Google, este é o maior mapa cerebral nesse nível de detalhe até hoje e está disponível gratuitamente online para cientistas e outras pessoas interessadas. Você pode ver clicando aqui.
Para fazer o mapa, as equipes dividiram o tecido doado em 5.300 seções, cada uma com 30 nanômetros de espessura. Após isso, um microscópio eletrônico de varredura criou imagens com resolução de 4 nanômetros.
As 225 milhões de imagens resultantes foram alinhadas computacionalmente e costuradas de volta em uma representação digital 3D da região.
Algoritmos de aprendizado de máquina segmentaram células individuais e classificaram sinapses, axônios, dendritos, células e outras estruturas que depois foram verificadas por humanos.
No ano passado, o Google e o Campus de Pesquisa Janelia do Howard Hughes Medical Institute ganharam as manchetes quando mapearam uma parte do cérebro de um inseto chamado Fruit flies.
Esse mapa, na época era o maior, cobria cerca de 25.000 neurônios e 20 milhões de sinapses. Além de visar o cérebro humano, ele incluia dezenas de milhares de neurônios e 130 milhões de sinapses, ocupando 1,4 petabytes de espaço em disco.
Em comparação, mais de três décadas de imagens de satélite da Terra pelo programa Landsat da NASA requerem 1,3 petabytes de armazenamento.
Coleções de imagens cerebrais nas menores escalas são como "um mundo em um grão de areia", disse Clay Reid do Instituto Allen à Nature, citando William Blake em referência a um mapa anterior do cérebro de camundongos.
Tudo isso, é apenas um milionésimo do cérebro humano. O que quer dizer que um mapa igualmente detalhado de tudo isso ainda está a anos de distância.
Mesmo assim, o trabalho mostra o quão rápido o campo está se movendo. Um mapa dessa escala e detalhe seria inimaginável algumas décadas atrás.
Como mapear um cérebro?
O estudo dos circuitos celulares do cérebro é conhecido como conectômica. Para obter o conectoma humano, ou o diagrama de fiação de um cérebro inteiro, o processo é semelhante ao de obtenção do genoma humano.
Os únicos conectomas completos são para criaturas simples como o verme nematóide (C. elegans) e a larva de uma criatura marinha chamada C. intestinalis.
Os pesquisadores que mapearam C. elegans na década de 1980 usaram uma câmera de filme acoplada a um microscópio eletrônico para imagens de fatias do verme, depois reconstruíram os neurônios e as conexões sinápticas à mão.
O processo foi como montar um quebra-cabeça tridimensional enlouquecedoramente difícil. C. elegans tem apenas 302 neurônios e cerca de 7.000 sinapses, mas o rascunho de seu conectoma levou 15 anos, e um rascunho final levou outros 20.
Claramente, essa abordagem não escalaria. O que mudou então? Resumindo, automação. Hoje em dia, as próprias imagens são, obviamente, digitais.
Um processo conhecido como moagem de feixe de íons focalizado raspa cada fatia de tecido alguns nanômetros de cada vez. Depois que uma camada é vaporizada, um microscópio eletrônico faz a imagem da camada recém-exposta.
A camada de imagem é então raspada pelo feixe de íons e a próxima imagem, até que tudo o que resta da fatia de tecido é uma cópia digital com resolução nanométrica.
Mas talvez a melhoria mais dramática seja o que acontece depois que os cientistas completam aquela pilha de imagens. Em vez de montá-los manualmente, os algoritmos assumem o controle.
Seu primeiro trabalho é solicitar as fatias com imagem. Então eles fizeram algo que parecia impossível até a última década. As imagens foram alinhadas traçando o caminho das células e sinapses entre elas e, assim, construindo um modelo 3D.
Os humanos ainda revisam os resultados, mas não fazem mais a parte mais difícil. Até a revisão pode ser refinada.
O renomado neurocientista e proponente da conectômica Sebastian Seung, por exemplo, criou um jogo chamado Eyewire, onde milhares de voluntários revisam estruturas.
"É realmente bonito de se olhar", disse Jeff Lichtman, de Harvard, cujo laboratório colaborou com o Google no novo mapa, à Nature em 2019.
Os programas podem rastrear neurônios mais rápido do que a equipe pode produzir dados de imagem, disse ele. "Não somos capazes de acompanhá-los. É um ótimo lugar para se estar."
Em uma palestra TED de 2010, Seung disse ao público que você é o seu conectoma. Reconstrua as conexões e você reconstruirá a própria mente: memórias, experiência e personalidade.
Mas a conectômica não deixou de gerar controvérsias ao longo dos anos. Nem todo mundo acredita que o mapeamento do conectoma neste nível de detalhe seja necessário para uma compreensão profunda do cérebro.
E, especialmente no passado mais antigo e artesanal do campo, os pesquisadores temiam que a escala de recursos necessária simplesmente não produzisse resultados comparativamente valiosos ou oportunos.
"Não preciso saber os detalhes precisos da fiação de cada célula e de cada sinapse em cada um desses cérebros", disse o nuerocientista Anthony Movshon em 2019.
"O que eu preciso saber, em vez disso, são os princípios organizacionais que os unem." Isso, acredita Movshon, pode provavelmente ser inferido a partir de observações em resoluções mais baixas.
Além disso, um instantâneo estático das conexões físicas do cérebro não explica necessariamente como essas conexões são usadas na prática.
"Um conectoma é necessário, mas não suficiente", disseram alguns cientistas ao longo dos anos.
Na verdade, pode ser na combinação de mapas cerebrais, incluindo mapas funcionais de nível superior que rastreiam sinais que fluem através de redes neurais em resposta a estímulos que o funcionamento interno do cérebro será iluminado nos detalhes mais nítidos.
Ainda assim, o conectoma de C. elegans provou ser um bloco de construção fundamental para a neurociência ao longo dos anos.
E a velocidade crescente do mapeamento está começando a sugerir metas que antes pareciam impraticáveis, podem na verdade estar ao alcance nas próximas décadas.
Seung disse que quando começou, estimou que levaria um milhão de anos para uma pessoa traçar manualmente todas as conexões em um milímetro cúbico do córtex humano.
Para o cérebro inteiro, ele estimou que levaria cerca de um trilhão de anos. É por isso que a automação e os algoritmos têm sido tão cruciais para o campo.
Gerry Rubin da Janelia disse a Stat que ele e sua equipe supervisionaram um aumento de 1.000 vezes na velocidade de mapeamento desde que começaram a trabalhar no conectoma da mosca da fruta em 2008.
O conectoma completo, cuja primeira parte foi concluída no ano passado pode chegar em 2022.
Outros grupos estão trabalhando em outros animais, como polvos, dizendo que comparar como diferentes formas de inteligência conectadas pode ser um terreno particularmente rico para descobertas.
O conectoma completo de um rato, projeto já em andamento, pode acompanhar a mosca-das-frutas até o final da década. Rubin estima que passar de rato para humano exigiria outro salto de um milhão de vezes na velocidade de mapeamento.
Mas ele aponta para o aumento de trilhões de vezes na velocidade de sequenciamento de DNA desde 1973 para mostrar que essas melhorias técnicas dramáticas não são sem precedentes.
O genoma também pode ser uma comparação adequada de outra maneira. Mesmo após o sequenciamento do primeiro genoma humano, foram necessários muitos anos para dimensionar a genômica a ponto de podermos realizar mais plenamente seu potencial.
Talvez o mesmo seja verdadeiro para a conectômica. Mesmo que a tecnologia abra novas portas, pode levar algum tempo para entender e fazer uso de tudo o que ela tem a oferecer.
"Acredito que as pessoas estavam impacientes sobre o que [conectomas] forneceria", disse Joshua Vogelstein, cofundador do Open Connetome Project, ao Verge no ano passado.
"O período de tempo entre uma boa tecnologia ser semeada e fazer ciência de verdade usando essa tecnologia costuma ser de aproximadamente 15 anos. Agora, 15 anos depois, podemos começar a fazer ciência."
Os proponentes esperam que os mapas cerebrais gerem novos insights sobre como o cérebro funciona, do pensamento à emoção e memória, e como diagnosticar e tratar melhor os distúrbios cerebrais.
O Google, sem dúvida, espera colher insights que possam levar a uma computação mais eficiente, o cérebro é surpreendente nesse aspecto e uma inteligência artificial poderosa.
Não há como dizer exatamente o que os cientistas encontrarão, pois, neurônio por sinapse, eles mapeiam o funcionamento interno de nossas mentes, mas parece que quase todas as grandes descobertas o aguardam.
Via: Google Blog
