Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira poderosa de mapear como as células cerebrais se conectam, marcando 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.
Esta abordagem pode aprofundar a compreensão de como as redes cerebrais complexas são organizadas e como funcionam. Também pode esclarecer o que acontece de errado nos distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Ao fazer engenharia da computação, você precisa conhecer os circuitos da unidade central de processamento. Se você não sabe como tudo é montado, 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-Illinois Binham University.
“Nossa tecnologia permite o mapeamento simultâneo de milhares de conexões neurais com resolução de sinapse única – uma capacidade que nenhuma tecnologia atual possui. É diretamente aplicável à compreensão da disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas dirigidas por circuitos”, disse ele.
Os resultados foram publicados na revista Método 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 seções extremamente finas, fotografá-las com um microscópio e juntar as vias manualmente. Embora novas ferramentas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios ao mesmo tempo, elas normalmente mostram onde um neurônio prolifera, em vez de identificar as células exatas que o conectam às sinapses, disse Zhao.
Para superar esta limitação, a equipe de Zhao desenvolveu uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Isso 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, onde dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolaram essas sinapses e usaram sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras foram encontrados juntos. Isto revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo aos cientistas mapear redes em grande escala.
Tornando a fiação cerebral um problema de sequenciamento
“Traduzimos o problema de conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine um grande monte de balões. Cada balão tem seu adesivo de código de barras exclusivo no núcleo e um barbante desce até o final. Se dois balões forem amarrados no final, os dois códigos de barras se encontram na junção”, disse Zhao. “Depois cortamos os nós e sequenciamos os códigos de barras em cada um. Se o mesmo nó tiver adesivos do balão A e do balão B, sabemos que esses dois balões estão amarrados. Estamos fazendo isso no cérebro, apenas no nível de milhares de células neuronais. Com esta informação, podemos representar um sofisticado mapa de flutuação dentro de um grupo sofisticado.”
Descobrindo 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 pontocerebelar, que conecta duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade até então desconhecidos, incluindo conexões diretas entre tipos de células que não eram conhecidas por se conectarem no cérebro adulto.
“Com melhorias já em andamento em nosso laboratório, estamos confiantes de que podemos torná-lo ainda melhor e, eventualmente, atingir nosso objetivo de mapear todo o cérebro do rato”, disse Zhao.
Alzheimer e o potencial para transformar a pesquisa sobre doenças cerebrais
Por ser rápido e escalável, o Connectome-seq pode acelerar significativamente a pesquisa em doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais de indivíduos saudáveis em diferentes estágios da doença, os cientistas poderão detectar alterações precoces nos circuitos neurais.
“Com a abordagem baseada em sequenciamento, o tempo e o custo são bastante reduzidos, o que torna possível realmente ver diferenças em diferentes cérebros. Podemos ver onde as conexões mudam, onde estão as partes mais fracas do cérebro, talvez antes que os sintomas apareçam”, disse Zhao. “Por exemplo, se pudermos compreender exactamente onde está o elo fraco que desencadeia toda a catastrófica cascata da doença de Alzheimer, poderemos reforçar especificamente as ligações onde a doença abranda ou não progride?”
A pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Iniciativa Neuro-Omics do Instituto de Neurociências Woo Tsai da Universidade de Stanford, bem como financiamento da Fundação Elsa Yu Purdy e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
