Uma equipe de pesquisa japonesa recriou com sucesso importantes circuitos neurais humanos em laboratório usando minúsculos modelos cerebrais multirregionais conhecidos como assemblóides. Essas estruturas são cultivadas a partir de células-tronco pluripotentes induzidas (iPS) e são projetadas para imitar como diferentes partes do cérebro humano se conectam e se comunicam. Usando este sistema, os cientistas demonstraram que o tálamo desempenha um papel central na formação de circuitos neurais especializados no córtex cerebral humano.
A pesquisa está publicada na revista Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América.
Por que os circuitos neurais corticais são importantes?
O córtex cerebral contém muitos tipos diferentes de neurônios que devem comunicar-se efetivamente entre si e com outras áreas do cérebro. Essas conexões são essenciais para as principais funções cerebrais, incluindo percepção, pensamento e cognição.
Em pessoas com condições de neurodesenvolvimento, como o transtorno do espectro do autismo (TEA), esses circuitos corticais geralmente se desenvolvem ou funcionam de maneira anormal. Por esta razão, compreender como os circuitos neurais se formam e amadurecem é importante para descobrir as raízes biológicas destas doenças e desenvolver novos tratamentos.
Introdução ao tálamo e à fiação cerebral
Estudos anteriores em ratos mostraram que o tálamo desempenha um papel importante na organização dos circuitos neurais no córtex. No entanto, como o tálamo e o córtex interagem durante a formação do circuito no cérebro humano permanece em grande parte desconhecido.
Este processo é difícil de estudar diretamente em humanos devido a limitações éticas e técnicas na obtenção de tecido cerebral. Para superar esses desafios, os cientistas recorreram aos organoides, que são estruturas tridimensionais cultivadas a partir de células-tronco que se assemelham a órgãos reais.
De organoides a assemblóides
Embora os organoides sejam úteis, um único organoide não pode capturar as interações complexas entre as diferentes regiões do cérebro. Para estudar a estrutura do circuito neural de forma mais realista, os pesquisadores usam assemblóides, que são feitos pela união física de duas ou mais organelas.
O professor Fumitaka Osakada, da Escola de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas da Universidade de Nagoya, o estudante Masatoshi Nishimura e seus colegas criaram assemblóides que modelavam as interações entre o tálamo e o córtex.
A equipe primeiro gerou organoides corticais e talâmicos distintos a partir de células iPS humanas. Esses organoides foram então fundidos, permitindo aos pesquisadores observar como as duas regiões do cérebro interagem à medida que se desenvolvem.
Mini circuitos cerebrais que se comportam como coisas reais
Os pesquisadores descobriram que as fibras nervosas do tálamo cresciam em direção ao córtex, enquanto as fibras corticais se estendiam em direção ao tálamo. Essas fibras formam sinapses entre si, assemelhando-se muito às conexões observadas no cérebro humano.
Para avaliar como esta interação afeta o desenvolvimento, a equipe comparou a expressão genética na região cortical do assemblóide com a de um organoide cortical individual. O tecido cortical conectado ao tálamo apresenta sinais de maior maturação, indicando que a comunicação tálamo-córtex promove o crescimento e desenvolvimento cortical.
Sinais talâmicos impulsionam a sincronia neural
Os cientistas também examinaram como os sinais viajavam pelo conjunto. Eles descobriram que a atividade neural se espalha do tálamo para o córtex em padrões ondulatórios, criando uma atividade coerente em toda a rede cortical.
Para entender quais neurônios estavam envolvidos, a equipe mediu a atividade em três tipos principais de neurônios excitatórios corticais: intratelencefálico (IT), trato piramidal (PT) e corticotalâmico (CT).
Atividade sincronizada foi observada em neurônios PT e CT, ambos enviando sinais para o tálamo. Os neurônios IT, que não se projetam para o tálamo, não apresentaram a mesma sincronização. Isto sugere que a entrada talâmica fortalece seletivamente tipos específicos de neurônios, ajudando-os a formar redes integradas e a se tornarem funcionais.
Uma nova ferramenta para estudar distúrbios cerebrais
Ao reconstruir com sucesso circuitos neurais humanos usando assembloides, os pesquisadores estabeleceram uma nova plataforma poderosa para estudar como os circuitos cerebrais diferem em estrutura, função e entre tipos de células.
Explicando o significado mais amplo do trabalho, Osakada disse: “Fizemos progressos significativos numa abordagem construtivista para compreender o cérebro humano, regenerando-o. Acreditamos que estas descobertas ajudarão a acelerar a descoberta de mecanismos subjacentes às doenças neurológicas e psiquiátricas, bem como ajudar no desenvolvimento de novas terapias”.
