Uma grande equipa de investigação internacional liderada por grupos da Escola Médica de Harvard e da Universidade de Princeton alcançou um importante marco na neurociência ao revelar um mapa completo de todas as ligações entre neurónios no sistema nervoso central de uma mosca da fruta adulta.
A conquista dá aos cientistas uma nova forma de examinar como o cérebro e o corpo trabalham juntos para produzir ações complexas, incluindo caminhar e voar. Também abre a porta para um estudo mais amplo das regras básicas que regem o sistema nervoso.
“Podemos, pela primeira vez, olhar para todos os neurônios e suas conexões como uma unidade completa e perguntar: ‘O que podemos aprender com isso?'”, disse a coautora sênior do estudo, Rachel Wilson, professora Joseph B. Martin.
O primeiro mapa completo da fiação cerebral e corporal da mosca da fruta
O novo mapa de conexões neurais, conhecido como conectoma, estende um conectoma cerebral da mosca da fruta publicado anteriormente, adicionando o equivalente à espinha da mosca, chamado cordão nervoso.
“É realmente importante ter uma conexão do sistema nervoso central tão completa quanto possível para que possamos conectar o cérebro e o corpo e começar a pensar holisticamente sobre o comportamento”, disse Wei-Chung Allen Lee, professor associado de neurobiologia no HMS e professor do HMS no Hospital Infantil de Boston.
Quando a equipe estudou a conexão, descobriu que muitos comportamentos das moscas-das-frutas parecem ser controlados por circuitos neurais locais em partes relevantes do corpo, e não por uma região de comando central do cérebro.
Conexão completa agora Disponível on-line gratuitamenteFornece aos pesquisadores de todo o mundo um novo e poderoso recurso para pesquisas em neurociências. O trabalho, publicado em 8 de junho na Nature, recebeu algum apoio de fundos federais dos EUA, incluindo a Brain Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), os National Institutes of Health e a National Science Foundation.
Por que as moscas da fruta são importantes na neurociência
Uma importante questão sem resposta na neurociência é como os neurônios do cérebro e do corpo se conectam e se coordenam para produzir comportamento. A mosca da fruta Drosophila melanogaster é um modelo valioso para explorar essa questão.
As moscas-das-frutas são fáceis de criar e manter em laboratório. Embora tenham cerca de 160.000 neurônios no sistema nervoso, eles ainda podem realizar comportamentos complexos, como navegar, interagir socialmente, aprender e responder a sinais sensoriais. Eles têm o que Lee descreve como um kit de ferramentas genéticas incrivelmente sofisticado que permite aos cientistas acessar, controlar e registrar a atividade de neurônios individuais ou grupos de neurônios.
Em 2024, o Consórcio Flywire, liderado por Mala Murthy e Sebastian Seung em Princeton, que também foi coautor do novo estudo, revelou um diagrama elétrico completo do cérebro de uma mosca da fruta. Ao mesmo tempo, Lee e seus colegas estavam fazendo conexões com os cordões nervosos das moscas-das-frutas, que processam informações sensoriais, bem como controlam pernas, asas e outros apêndices.
“As conexões do cérebro e dos cordões nervosos funcionam por si só, mas até que você consiga unir os dois, é difícil entender como a informação se move entre o cérebro e o corpo”, diz Helen Young, coautora de Neurobiologia no Wilson Lab.
O co-autor Alexander Bates, pesquisador associado em neurobiologia no laboratório Wilson, também observou que o cérebro contém a maioria dos neurônios, mas o cordão nervoso contém neurônios que são “os mais úteis” porque estão ligados a sensações, movimentos e funções que muitas vezes são fáceis de explicar.
Conectando o cérebro ao cordão nervoso
A equipe Flywire estava interessada em mover o conjunto de dados capturado no laboratório de Lee para o cérebro e o cordão neural, ou BANC, disse o co-autor sênior Murthy, professor de neurociência Carl e Marnie Marcin ’96 em Princeton e diretor do Princeton Neuroscience Institute (PNI).
“A nova conexão representa um grande avanço para a área, incluindo a capacidade de compreender como os circuitos cerebrais recebem feedback e controlam as ações do corpo”, disse ele.
“Pela primeira vez, podemos seguir o fluxo de informação da sensação à ação através de todo o sistema nervoso”, acrescentou o coautor Ari Matslia, do PNI.
Como os cientistas construíram o conectoma
Para fazer a conexão, os pesquisadores cortaram uma única mosca da fruta em milhares de seções seriais extremamente finas. Eles então usaram microscopia eletrônica para capturar milhões de imagens mostrando neurônios e suas conexões. As ferramentas de IA ajudaram a alinhar essas imagens e combiná-las em um mapa 3D unificado.
A conectividade terminal mostra como cada neurônio se conecta a outros neurônios no cérebro e ao cordão nervoso no nível das sinapses individuais. O mapa não cobre todo o corpo da mosca, mas os investigadores usaram neurónios rastreáveis e literatura científica anterior para ligar neurónios no sistema nervoso central a neurónios em muitos apêndices e órgãos sensoriais, efetivamente “incorporando” a ligação.
Lee disse que os cientistas podem usar as conexões para desenvolver novas hipóteses para experimentos de laboratório. Ele compara isso a ter informações detalhadas do Google Maps ao planejar uma rota.
“A conexão nos mostrou que a maioria das nossas hipóteses são muito simples. Agora, podemos desenvolver hipóteses mais complexas e prosseguir com experimentos para testá-las”, disse Lee.
Alguém se pergunta como o movimento é controlado
Os pesquisadores já usaram a conexão para estudar o controle motor, especificamente como uma mosca move as pernas e outras partes do corpo.
Um conceito antigo na neurociência afirma que o cérebro atua como um controlador central que decide quais ações um animal irá realizar. A conexão com a mosca da fruta indica uma resposta diferente.
A equipe descobriu que o controle motor nas moscas da fruta ocorre principalmente localmente. Por exemplo, o movimento de uma perna é amplamente controlado pelos circuitos neurais dessa perna. Esses circuitos interagem então com outros circuitos de pernas para produzir ações coordenadas, como caminhar.
O mesmo padrão pode ser visto em circuitos conectados às asas, boca e outras partes do corpo da mosca. Os pesquisadores também descobriram que os circuitos motores se conectam com outros tipos de circuitos, incluindo os sistemas visual e endócrino, fornecendo informações adicionais que ajudam a moldar o comportamento.
“Nossas descobertas sugerem que o controle da ação está altamente distribuído em módulos locais que estão conectados e trabalham juntos de maneiras diferentes”, disse Bates.
O que vem a seguir para a pesquisa do conectoma
Os pesquisadores dizem que a conexão pode apoiar muitas linhas de investigação futura. Yang compara-o ao Projeto Genoma Humano, outro recurso aberto em grande escala que tem sido usado de diversas maneiras.
Em breve, a equipe planeja adicionar mais informações à conexão, incluindo detalhes sobre neuropeptídeos, pequenas moléculas semelhantes a proteínas que os neurônios usam para se comunicar.
A conexão também pode revelar princípios básicos que se aplicam aos sistemas nervosos de todas as espécies, incluindo os humanos. Muitas descobertas na neurociência da mosca-das-frutas foram transferidas dos invertebrados para os mamíferos, incluindo explorações de navegação, olfato e memória, disse Bates.
Outro objetivo é “trazer mapeamento de conectividade total para organismos mais complexos”, disse Matslia. Ele observou que os avanços na IA, na computação e na ciência colaborativa aberta estão a tornar esta investigação cada vez mais possível.
Uma questão importante agora é se o controle neural distribuído observado nas moscas da fruta também é encontrado em outros animais. Lee está atualmente investigando essa possibilidade em ratos.
“Eu ficaria chocado se isso fosse exclusivo das moscas”, disse Young. “Não temos este nível de resolução em outros animais, mas sabemos que eles têm muitos circuitos locais”.
Lições para Inteligência Artificial
O trabalho também pode ter implicações para a inteligência artificial. Connectome oferece dados biológicos reais que podem ajudar a orientar o design de agentes artificiais que se movem através de mundos virtuais, sistemas que são cada vez mais utilizados para estudar inteligência e melhorar o treinamento em IA.
“Uma coisa que sempre me surpreende é que esta pequena mosca faz tanto; mesmo os nossos melhores agentes e robôs de IA não conseguem fazer o que uma mosca faz”, disse Yang. “Pode haver lições para a IA sobre como o sistema nervoso é organizado”.
Autoria, Financiamento, Divulgação
Jasper S. Phelps e Minsu Kim também são co-autores do estudo. Jan Drugowitsch é co-autor sênior. Autores adicionais incluem Zaki Azabi, Eric Perlman, Kevin M. Delgado, Mohammad Abdal Moniam Osman, Christopher K. Salmon, Jay Gager, Benjamin Silverman, Sophia Renald, Farzan Salman, Janki Patel, Matthew F. Colley, Jingxuan Fan, Diego A. Pacheco, Zhao Zhao, Zhao, Zhao. Capdevila, Ruiri JV Roberts, Eva J. Munnelly, Nina Griggs, Helen Langley, Borja Moa-Lamas, Xuyu Zhang, Ryan T. Maloney, CG-Chih Yu, Amy R. Sterling, Marisa Sorek, Krzysztof Kruk, Nikitas Serafetinis, Paul Serafetinis, Paul Serafetinis, Finjayan K. M. Jones, Jessica Bros. Pierce-Lundgren, Su-Yi Lee, Yichen Luo, Andrew P. Cook, Theresa H. McKim, Dimitrios Stassi Giacomos, Benjamin Gorko, Emily C. Coffs, Tazalda Falt, Alexa M. Negron-Morales, Will James, Will James, Will Berkestin, Will. Popov, Ryan Popov, Sergey Niko. Kemnitz, Dodam Ih, Kisuk Lee, Ran Lu, Akhilesh Halageri, J. Alexander Bae, Ben Jourdan, Gregory Schwartzman, Damian D. Demarest, Emily Behnke, Doug Bland, Anne Kristiansen, Jaime Skelton, Tom Stocks, Dustin Garner, Anthony Kumar Thernandez, FW-Hernandez, Kevin C. F-Worland Consortium. Daly, Sven Dorkenwald, Forrest Coleman, Marie P. Suvar, Lisa M. Fenk, Michael J. Pankratz, Zepeng Yao, Stephen J. Huston, Tom Sterner, Gregory Sxe Jefferies, Katharina Eichler, Andrew M. Seedes, Taphanats, Stephanats, Taunatal, Taphanats, Stephen J. Tatsuna, Thomas, Mio e Okobo. Diane-Yara Adjavon, Jan Funke, John C. Tuthill, Anthony Azevedo e Benjamin L. D. Bevert.
Institutos Nacionais de Saúde (concede R01NS121874; RF1MH117808; U19NS118246; U24NS126935; RF1MH117815; K99NS129759; R00NS117657; R00NS117657; R03127; R03127; R01NS140174; U24NS139131; (222782/Z/21), bolsa de pesquisa conjunta Harvard/MIT, bolsa de pós-doutorado da HHMI Life Sciences Research (PJ100000343), The PA787/9-3; Rede Nevada IDeA de Excelência em Pesquisa Biomédica (GM103440), Sociedade Japonesa de Promoção e Agência NKKA03 (ASPIRE JPMJAP2302; CRONOS JPMJCS24K2), uma bolsa HHMI Gilliam (GT15790), a Sociedade Max Planck, a Shanahan Family Foundation, uma bolsa de pós-graduação Kempner, o Conselho de Pesquisa Médica (MC_EX_MR/T046279/1), e a Fundação Pequim, Pequim. Fundação e Fundação de Corretagem. (IS23084). Os autores também reconhecem que o trabalho se beneficiou do Cluster de Computação de Alto Desempenho O2, apoiado pelo Research Computing Group da HMS.
A Universidade de Harvard registrou um pedido de patente para GridTape (WO2017184621A1), W. Li celebrou acordos de licenciamento em nome de inventores e negociou com parceiros interessados Macrina, Popovych, Kemnitz, Ih, K. Lee, Lu, Halageri, Bae e Seung Zetta declaram interesse financeiro em IA. Seung Memazing, Inc. Capdevila, Roberts, Langley, Munnelly, Griggs e Moya-Llamas declararam interesses financeiros na Aelysia Ltd. Perlman é diretor da Yikes LLC.
