Uma equipe de pesquisa no Japão recriou com sucesso os principais circuitos neurais humanos em laboratório usando pequenos modelos cerebrais multirregionais chamados assemblages. Essas estruturas são cultivadas a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPS) e são projetadas para imitar como diferentes partes do cérebro humano se conectam e interagem. Usando este sistema, os cientistas demonstraram que o tálamo desempenha um papel central na formação de circuitos neurais especializados no córtex cerebral humano.
O estudo foi publicado 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 importantes para funções cerebrais básicas, 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. Por causa disso, compreender como os circuitos neurais se formam e amadurecem é fundamental para descobrir as raízes biológicas desses distúrbios e para desenvolver novos tratamentos.
O tálamo e seu papel na fiação cerebral
Estudos anteriores em roedores mostraram que o tálamo desempenha um papel importante na organização dos circuitos neurais no córtex cerebral. 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 às limitações éticas e técnicas de obtenção de tecido cerebral. Para superar esses problemas, os cientistas recorreram aos organoides, que são estruturas tridimensionais cultivadas a partir de células-tronco que se assemelham a órgãos reais.
De organoides a assemblóides
Embora os organoides sejam úteis, um único organoide não pode capturar as interações complexas entre as diferentes regiões do cérebro. Para um estudo mais realista da 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 Ciências Farmacêuticas da Universidade de Nagoya desenvolveram montagens que modelam as interações entre o tálamo e o córtex.
Pela primeira vez, a equipe criou organelas corticais e talâmicas separadas a partir de células iPS humanas. Esses organoides foram então fundidos, permitindo aos pesquisadores observar como as duas regiões do cérebro interagem durante o seu desenvolvimento.
Mini circuitos cerebrais que se comportam como coisas reais
Os pesquisadores observaram que as fibras nervosas do tálamo crescem em direção ao córtex cerebral, enquanto as fibras corticais se estendem em direção ao tálamo. Essas fibras formavam sinapses entre si, muito semelhantes às conexões observadas no cérebro humano.
Para avaliar como esta interação afetou o desenvolvimento, a equipe comparou a expressão genética na região cortical do conjunto com a de uma organela cortical individual. O tecido cortical conectado ao tálamo mostra sinais de maior maturidade, indicando que a conectividade cortical-talâmica contribui para o crescimento e desenvolvimento cortical.
Sinais talâmicos controlam a sincronia 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 padrões ondulatórios, criando atividade sincronizada em redes corticais.
Para entender quais neurônios estavam envolvidos, a equipe mediu a atividade de três tipos principais de neurônios excitatórios no córtex cerebral: intratelencefálico (IT), trato piramidal (PT) e corticotalâmico (CT).
Atividade sincronizada foi observada em neurônios PT e CT, ambos enviando sinais de volta ao tálamo. Os neurônios IT que não se projetam para o tálamo não apresentam a mesma sincronização. Isto sugere que a entrada talâmica fortalece seletivamente certos tipos de neurônios, ajudando-os a formar redes coordenadas e funcionalmente específicas.
Uma nova ferramenta para estudar distúrbios cerebrais
Ao reconstruir com sucesso os circuitos neurais humanos usando montagens, os pesquisadores criaram uma nova plataforma poderosa para estudar como os circuitos cerebrais se formam, funcionam e se diferenciam em diferentes tipos de células.
Osakada explicou as implicações mais amplas do trabalho, dizendo: “Fizemos progressos significativos numa abordagem construtivista para a compreensão do cérebro humano, reproduzindo-o. Acreditamos que estas descobertas ajudarão a acelerar a descoberta dos mecanismos subjacentes aos distúrbios neurológicos e psiquiátricos, bem como o desenvolvimento de novos tratamentos”.
