Quão perto estamos de mapear o cérebro humano?

O cérebro parece estar organizado de maneira sempre complexa e elegante, única para cada indivíduo.

Varredura do cérebro humano.Um olhar mais atento para o cérebro humano.

Nós mapeamos o genoma humano, pisamos em cada pedaço da terra, pousamos na lua e mergulhamos nos oceanos. Restam poucas fronteiras sem limites, além do espaço e do cérebro humano. É um tanto irônico que aquilo que nos torna quem somos, que está conosco desde o início, é um dos maiores mistérios para a humanidade. Não é de se admirar. O cérebro humano é composto por 80 bilhões de neurônios, sem mencionar a grande quantidade de células de suporte de que precisa para função . Os neurocientistas nem têm certeza de quantos tipos diferentes de células cerebrais existem.




Embora agora tenhamos imagens e tecnologia de computador à altura da tarefa, os especialistas dizem que levará décadas até que o cérebro seja totalmente mapeado. Hoje, temos uma compreensão confusa do órgão . A ciência médica tem um conhecimento geral das regiões e de onde se originam certas funções. No entanto, existem poucas áreas que conhecemos intimamente. Bilhões de neurônios disparam em padrões brilhantes e intrigantes, uma tempestade contínua em um arranjo mais sofisticado do que qualquer sinfonia. Mas como isso, por sua vez, afeta o pensamento ou o comportamento ainda é amplamente desconhecido.



Um projeto específico conhecido como Iniciativa BRAIN foi movido para preencher as lacunas. Entender todas as células e como elas são colocadas juntas é a abordagem, de acordo com Lydia Ng, diretora de tecnologia da iniciativa. Além de mapear 86 bilhões de neurônios, o Allen Institute for Brain Science, o principal impulsionador deste projeto, planeja construir um banco de dados com todas as informações que encontrar.

Iniciativa BRAIN “moonshot” do presidente Obama.



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Os investigadores usarão quatro características para categorizar as células cerebrais: forma, posição dentro do órgão, atividade elétrica e expressão gênica. Até agora, a equipe tirou dezenas de fotos de neurônios em alta resolução, cada uma estimulada com eletricidade usando um microscópio de luz. Isso foi feito observando a posição de cada neurônio dentro do córtex do sujeito, aqui realizada em modelos de camundongos. Allan Jones é o CEO deste projeto. Ele diz que eles estão observando todas as partes e como elas interagem para ter uma visão melhor da neurologia humana. De acordo com Allen, até agora eles encontraram um certo número de tipos de células, organizados em classes.

Em termos de expressão gênica, a equipe se concentrará no sequenciamento do RNA de cada célula individual. Eles procurarão a sobreposição nas quatro variáveis ​​acima mencionadas e completarão uma taxonomia de células cerebrais inteira. Esse sistema de classificação ajudará físicos, neurocientistas e outros a compreender melhor o cérebro e, com sorte, diagnosticar e tratar doenças psiquiátricas e neurodegenerativas - como a demência. Não só os dados coletados são importantes, a metodologia usada ajudará outros em iniciativas futuras.

O esforço é extremamente complexo. Para mapear o cérebro com sucesso, os pesquisadores devem identificar milhões de pontos de dados. As leituras elétricas são feitas primeiro ao fornecer corrente aos neurônios por meio de pipetas ou túbulos minúsculos de apenas um mícron de largura. Um cabelo humano médio tem cerca de 75 mícrons em largura . Um vaso sanguíneo vermelho humano tem cinco mícrons. A corrente elétrica usada faz com que o neurônio dispare. A partir daí, os pesquisadores podem registrar a saída da célula.



Mas como os neurônios se ramificam em todos os lugares e há muitos sistemas variados usados ​​para entender a rede neural, os pesquisadores precisam aplicar a mesma técnica repetidamente para poder comparar e rastrear as leituras de um neurônio para outro. Esta metodologia está sendo compartilhada com outros centros de pesquisa para que haja uniformidade em toda a sua extensão. Desta forma, todos os dados de pesquisa do cérebro podem ser incorporados de forma integrada.

Claro, é antiético realizar tais experimentos em um cérebro humano vivo. Por causa disso, o mapeamento da localização exata dos neurônios em humanos continua difícil. As células que os neurocientistas costumam experimentar vêm de pacientes, de um pedaço removido, digamos, para chegar a um tumor. Mesmo assim, com tantas peças descartadas, os cientistas podem ser capazes de montar uma peça totalmente reconstruída e entender como ela funciona em comparação com o cérebro de um rato mapeado.

Neurônios de rato com as cores do arco-íris ou arco-íris, feitos com proteínas fluorescentes. Foto de Jeff W. Lichtman e Joshua R. Sanes via Wikipedia Commons.

A outra grande iniciativa é o Human Connectome Project (HCP), financiado pelo National Institutes of Health ( NIH ) Enquanto o projeto genoma examinava o DNA dentro das células, o projeto conectoma examina como um neurônio se conecta a outro. Simplificando, eles estão investigando a fiação do cérebro. Este é um esforço combinado que inclui 11 instituições e 36 pesquisadores individuais. As principais forças motrizes por trás do HCP são o Laboratório de Neuro Imaging da University of Southern California, juntamente com o Martinos Center for Biomedical Imaging do Massachusetts General Hospital.

Dr. Arthur Toga é neurocientista da USC. Ele chama as imagens que coletaram até agora de 'espaguete colorido'. Fibras deslumbrantes em vermelho, verde e azul se misturam, parecendo mais arte moderna do que neurologia. Cada cor designa a direção em que a fibra está viajando. As fibras azuis viajam por todo o cérebro, verdes de anterior para posterior e vermelhas da esquerda para a direita.

Um arco cerebral de neurônios de camundongo. Foto de Stephen J Smith via Wikimedia Commons.

Os conjuntos de dados para este projeto estão disponíveis publicamente, para que pesquisadores de todo o mundo possam usá-los em seus próprios projetos. 1.200 participantes compostos de gêmeos e irmãos normais estão tendo seus cérebros escaneados, para ver se nossa fiação é mais ou menos herdada ou não. Uma ressonância magnética e bobinas de cabeça especializadas seguem e analisam cada filamento do cérebro de forma não invasiva. Isso está criando as primeiras imagens detalhadas de um cérebro em funcionamento dentro de uma pessoa viva.

Até agora, os cientistas descobriram que, em vez de uma confusão caótica, as fibras são organizadas em uma grade, algo como um layout 3D de Manhattan com ruas correndo em ambas as direções e elevadores subindo ou descendo. Em certas áreas, os axônios se sobrepõem precisamente, criando ângulos perfeitos de 90 graus. Em outros, eles são tecidos juntos como se tivessem sido tecidos em um tear. Embora possam ver para onde vão esses fios, eles não sabem realmente onde se conectam.

De acordo com Toga, são as conexões que importam, que nos tornam individuais e únicos. Como o cérebro é maleável, em algumas pessoas, diferentes regiões são alteradas desde o início da vida, enquanto para outras a mudança ocorre lentamente com o tempo. Os primeiros dados sugerem que a genética pode influenciar a conectividade. Mas os padrões de fiação de cada indivíduo são tão únicos quanto uma impressão digital. A varredura do cérebro de uma pessoa pode até mesmo separar qualquer indivíduo de um grupo maior.

Os investigadores já estão vendo uma relação entre as conexões do cérebro e traços positivos de personalidade. Por exemplo, os neurocientistas de Oxford descobriram fortes evidências de que características como sentir forte satisfação com a vida e ter atingido um alto nível de educação têm certos padrões, enquanto outros padrões sugerem quebra de regras, raiva e até mesmo abuso de substâncias.

Neurônios disparando em um determinado padrão. Como eles fazem isso e onde se conectam podem dizer muito sobre uma pessoa.

Algum dia, os neurocientistas podem até usar perfis de conectividade para prever o comportamento cognitivo e a inteligência fluida de uma pessoa. A 'rede frontoparietal surgiu como a mais distinta' em termos de conectividade, de acordo com Toga. Agora, os neurocientistas estão tentando descobrir quais partes da fiação do cérebro são as mesmas e quais são individualizadas, e por que isso é.

O diretor do NIH, Dr. Francis Collins, escreveu em uma postagem de blog que acredita que essa pesquisa nos ajudará a entender melhor a esquizofrenia, o autismo e outras doenças, e a criar novas abordagens para o tratamento dessas doenças, talvez até mesmo algum dia evitando-os totalmente.

Pode haver limitações com base na abordagem e interpretação da composição do cérebro. Além do mais, a complexidade do órgão significa que quanto mais entendemos, mais percebemos o que não sabemos. Toga chamou a capacidade de estudar conectomas à medida que mudam com o tempo, 'O Santo Graal'. Embora nossa compreensão do cérebro se torne cada vez mais sofisticada, é um órgão tão complexo que os cientistas alertam que pode nunca ser completamente compreendido.

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