Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira poderosa de mapear como as células cerebrais se conectam, 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 extraordinários.
Este método pode aprofundar a compreensão de como as redes cerebrais complexas são organizadas e como funcionam. Também pode esclarecer o que corre mal nas doenças neurológicas e como doenças como a doença de Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Ao projetar um computador, você precisa conhecer o circuito da unidade central de processamento. Se você não sabe como tudo está conectado, não consegue entender sua função, otimizá-lo ou consertá-lo quando algo quebra. Abordamos 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 fornece imagens simultâneas de milhares de conexões neurais com a resolução de uma única sinapse – uma capacidade não disponível nas tecnologias atuais. É diretamente aplicável à compreensão da disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas orientadas por circuitos”, disse ele.
Os resultados foram publicados na revista Métodos da natureza.
Uma maneira mais rápida e detalhada de mapear o cérebro
O mapeamento cerebral tem sido tradicionalmente lento e difícil. Os cientistas muitas vezes tiveram que cortar o tecido cerebral em fatias extremamente finas, fotografá-las com microscópios e coletar caminhos manualmente. Embora as novas ferramentas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios ao mesmo tempo, elas geralmente mostram onde um neurônio se espalha, em vez de identificar as células exatas com as quais ele faz sinapse, disse Zhao.
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 especializadas transportam esses códigos de barras do corpo principal do neurônio até a sinapse, o ponto onde dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolam essas sinapses e usam sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras combinam. Isto mostra quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo aos cientistas mapear redes em grande escala.
Transformando a fiação cerebral em um problema de sequência
“Transformamos o problema de conexão neural em um problema de sequenciamento. Imagine uma grande pilha de balões. A maior parte de cada balão tem seus próprios adesivos de código de barras exclusivos, e alguns se movem até o final do barbante. Se dois balões forem amarrados no final, os dois códigos de barras se encontrarão na junção”, disse Zhao. “Depois recortamos os nós e colocamos os códigos de barras em cada um deles sequencialmente. Se o mesmo nó tiver adesivos do balão A e do balão B, sabemos que os dois balões estão conectados. Fazemos isso no cérebro, apenas no nível de milhares de neurônios. Com essas informações, podemos reconstruir um mapa complexo que mostra as conexões entre todos esses grupos aparentemente flutuantes.”
Descoberta de novas conexões de circuitos cerebrais
Usando o Connectome-seq, a equipe mapeou mais de 1.000 neurônios em um circuito cerebral de camundongo conhecido como circuito pantocerebelar, que conecta as duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de comunicação até então desconhecidos, incluindo conexões diretas entre tipos de células não previamente conectadas no cérebro adulto.
“Já estamos fazendo melhorias em nosso laboratório e estamos confiantes de que podemos fazê-lo ainda melhor e, eventualmente, atingir o objetivo de obter imagens de todo o cérebro do rato”, disse Zhao.
Potencial para pesquisa transformadora na doença de Alzheimer e doenças cerebrais
Como o Connectome-seq é rápido e escalável, ele tem o potencial de acelerar enormemente a pesquisa em doenças neurodegenerativas, doenças mentais e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais em pessoas saudáveis com aquelas em diferentes estágios da doença, os cientistas podem identificar mudanças precoces nos circuitos neurais.
“Com abordagens baseadas em sequências, o tempo e o custo são bastante reduzidos, o que realmente nos permite ver diferenças em diferentes cérebros. Poderíamos ver onde as conexões estão mudando, onde estão as partes mais vulneráveis do cérebro, talvez mesmo antes dos sintomas aparecerem”, disse Zhao. “Por exemplo, se pudermos identificar exatamente onde está o elo fraco que inicia toda a catastrófica cascata da doença de Alzheimer, poderemos fortalecer especificamente esses elos para onde a doença abranda ou não progride?”
A pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Iniciativa Neuro-ômica do Instituto Wu Tsai de Neurociência da Universidade de Stanford, bem como apoio financeiro da Fundação Elsa W. Pardee e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
