O cérebro humano começa como uma única célula. Com o tempo, esta única célula dá origem a um órgão extremamente complexo contendo aproximadamente 170 mil milhões de células. Uma das maiores questões da neurociência do desenvolvimento é como todas essas células chegam aos lugares certos para formar um cérebro funcional.
Os pesquisadores do Laboratório Cold Spring Harbor acreditam agora que a resposta pode ser surpreendentemente simples. Seu novo trabalho oferece insights sobre como o cérebro se organiza durante o desenvolvimento e pode eventualmente impactar pesquisas em áreas que vão da biologia à inteligência artificial.
Como as células cerebrais determinam sua identidade
Stan Kerstjens, pós-doutorado no laboratório do professor Anthony Zador, explica o problema em termos de informação posicional.
“A única coisa que uma célula ‘vê’ é ela mesma e seus vizinhos”, explica ele. “Mas o destino dela depende de onde ela está. Uma célula no lugar errado se torna a coisa errada e o cérebro não se desenvolve corretamente. Portanto, cada célula tem que resolver duas questões: Onde estou? E quem devo me tornar?”
Em um estudo publicado em NeurônioKerstjens, Zador e colaboradores da Universidade de Harvard e ETH Zürich propõem uma nova teoria que descreve como o cérebro em desenvolvimento atinge este nível notável de organização.
Além dos sinais químicos
Durante décadas, os cientistas acreditaram amplamente que as células transmitem informações posicionais através de sinais químicos. Segundo Kerstjens, esta explicação funciona bem em sistemas relativamente pequenos com um número limitado de células.
No entanto, o cérebro em desenvolvimento contém milhares de milhões de neurónios, cada um dos quais deve chegar ao lugar certo. Como os sinais químicos enfraquecem à medida que viajam, os pesquisadores há muito se perguntam como as células nas profundezas do cérebro em crescimento podem dizer exatamente onde estão.
Kerstjens sugere que parte da resposta pode vir de um processo que se assemelha à forma como as populações humanas se espalham ao longo das gerações.
“Pense em como as populações humanas se espalharam pelo país ao longo das gerações”, diz ele. “Os descendentes instalam-se perto dos pais, pelo que pessoas da mesma ascendência acabam em regiões vizinhas, criando padrões geográficos em grande escala sem conectividade de longa distância. Argumentamos que um princípio semelhante funciona no cérebro em desenvolvimento. As células que provêm do mesmo antepassado tendem a permanecer próximas umas das outras.”
Teste de modelo baseado em gênero
Para investigar essa ideia, os pesquisadores desenvolveram o que descrevem como um “modelo de informação posicional em escala baseado em linhagem”.
Primeiro, eles usaram cálculos teóricos para ver se o conceito poderia funcionar. Eles então examinaram padrões de expressão genética no cérebro de camundongos em desenvolvimento, observando tanto células individuais quanto grupos celulares maiores. Finalmente, testaram o modelo em peixes-zebra e obtiveram resultados semelhantes, sugerindo que o mecanismo pode estar em funcionamento em cérebros de tamanhos diferentes.
As descobertas sugerem que a sinalização química e a linhagem celular podem trabalhar juntas para fornecer informações posicionais durante o desenvolvimento.
Implicações para biologia e inteligência artificial
Embora o estudo tenha se concentrado no cérebro, Kerstjens diz que o princípio básico pode ser aplicado a muitos outros tecidos em desenvolvimento, incluindo tumores.
A teoria também pode ser relevante para futuros sistemas de inteligência artificial auto-replicantes. Tal como as células cerebrais podem herdar informação através de gerações de células, os futuros modelos de inteligência artificial que transmitem informação de uma geração para a seguinte poderão potencialmente basear-se em princípios organizacionais semelhantes.
Talvez a implicação mais significativa seja o que este trabalho pode revelar sobre a própria inteligência. Compreender como uma única célula se desenvolve num cérebro altamente organizado pode ajudar os cientistas a responder a algumas das questões mais profundas sobre a mente.
“O cérebro de alguma forma nos torna inteligentes”, diz Kerstjens. “Como conseguiu acumular esta capacidade não só durante o seu desenvolvimento, mas também durante a sua evolução? É uma peça desse grande puzzle.”
