Um cérebro humano começa como uma única célula. Com o tempo, essa única célula dá origem a um órgão extraordinariamente complexo contendo cerca de 170 mil milhões de células. Uma das maiores questões da neurociência do desenvolvimento é como todas essas células acabam no lugar certo 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 informações sobre como o cérebro se organiza durante o desenvolvimento e pode eventualmente influenciar pesquisas em áreas que vão da biologia à inteligência artificial.
Como as células cerebrais determinam sua identidade
Stan Kirstjens, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Anthony Zador, explica o desafio em termos de dados de localização.
“A única coisa que uma célula ‘vê’ é ela mesma e seus vizinhos”, explica ele. “Mas o seu destino depende de onde se encontra. Uma célula no lugar errado torna-se na coisa errada e o cérebro não se desenvolve adequadamente. Portanto, cada célula tem de resolver duas questões: Onde estou? E quem devo ser?”
Em um estudo publicado pelo Dr. NeurônioKerstjens, Zador e colegas da Universidade de Harvard e da ETH Zurich propõem uma nova teoria que descreve como o cérebro em desenvolvimento atinge este nível notável de organização.
Superando sinais químicos
Durante décadas, os cientistas acreditaram amplamente que as células comunicam informações posicionais através de sinais químicos. Segundo Kirstjens, esta explicação funciona bem em sistemas relativamente pequenos com um número limitado de células.
Mas o cérebro em desenvolvimento tem bilhões de neurônios que cada um precisa para 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 determinar exatamente onde estão.
Kirstjens sugere que parte da resposta pode vir de um processo semelhante à propagação das populações humanas ao longo das gerações.
“Considere como as populações humanas se espalharam por um país ao longo das gerações”, diz ele. “Os descendentes estabelecem-se perto dos seus pais, por isso aqueles que partilham antepassados acabam em regiões vizinhas, formando estruturas geográficas de grande escala sem comunicação de longo alcance. Argumentamos que o mesmo princípio opera no cérebro em desenvolvimento. As células descendentes da mesma linhagem permanecem próximas umas das outras.”
Testando um modelo baseado em linhagem
Para investigar a ideia, os pesquisadores desenvolveram o que descrevem como “modelos de informações de localização escaláveis baseados em linhagens”.
Eles primeiro usaram cálculos teóricos para explorar se a ideia poderia funcionar. Em seguida, eles examinaram padrões de expressão genética no desenvolvimento de cérebros de camundongos, observando tanto células individuais quanto grupos celulares maiores. Finalmente, testaram o modelo em peixes-zebra e encontraram resultados semelhantes, sugerindo que o mecanismo pode funcionar em diferentes tamanhos de cérebro.
Os resultados indicam que sinais químicos e linhagens celulares podem trabalhar juntos para fornecer informações posicionais durante o desenvolvimento.
Implicações para biologia e inteligência artificial
Embora a investigação se tenha centrado no cérebro, Kirstjens diz que o princípio subjacente pode aplicar-se a outros tecidos em desenvolvimento, incluindo tumores.
A teoria também pode ter relevância para futuros sistemas de IA auto-replicantes. Tal como as células cerebrais podem herdar informações através de gerações celulares, os futuros modelos de IA que transmitem informações de uma geração para a seguinte poderão potencialmente basear-se em princípios organizacionais semelhantes.
Talvez a implicação mais significativa seja o que o trabalho pode revelar sobre a inteligência. Compreender como uma única célula se desenvolve num cérebro altamente organizado pode ajudar os cientistas a responder algumas das questões mais profundas da mente.
“O cérebro de alguma forma nos torna mais inteligentes”, diz Kirstjens. “Como adquiriu essa capacidade, não apenas durante o seu desenvolvimento, mas ao longo do tempo evolutivo? Essa é uma peça desse grande quebra-cabeça.”
