Pesquisadores desenvolveram uma nova e poderosa maneira de mapear como as células do cérebro se conectam, marcando os neurônios com “códigos de barras” moleculares. Usando essa técnica, eles conseguiram traçar milhares de conexões neurais no cérebro de camundongos com notável rapidez e detalhe.
Esse método pode aprofundar a compreensão de como as redes cerebrais complexas estão organizadas e funcionam. Também pode esclarecer o que ocorre de errado em distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Ao engenheirar um computador, você precisa conhecer a fiação do processador central. Se você não souber como tudo está conectado, não conseguirá entender sua função, otimizá-lo ou consertá-lo quando algo quebrar. Estamos abordando o cérebro da mesma forma”, disse Boxuan Zhao, líder do estudo e professor de biologia celular e do desenvolvimento na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
“Nossa tecnologia permite o mapeamento simultâneo de milhares de conexões neurais com resolução de sinapse única – uma capacidade que não existe em nenhuma tecnologia atual. É diretamente aplicável à compreensão da disfunção dos circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para desenvolver intervenções terapêuticas guiadas por circuitos”, afirmou.
Os achados foram publicados na revista Nature Methods.
Uma Maneira Mais Rápida e Detalhada de Mapear o Cérebro
Mapear o cérebro tem sido tradicionalmente um processo lento e difícil. Cientistas frequentemente precisavam cortar o tecido cerebral em seções extremamente finas, imagina-las com microscópios e montar manualmente os caminhos. Embora ferramentas mais novas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios ao mesmo tempo, geralmente mostram onde um neurônio se estende, em vez de identificar as células exatas com as quais ele se conecta na sinapse, explicou Zhao.
Para superar essa limitação, a equipe de Zhao criou uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Ela atribui a cada neurônio um “código de barras” de RNA único. Proteínas especializadas transportam esses códigos de barras do corpo principal do neurônio até a sinapse, o ponto onde dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores, em seguida, isolam essas sinapses e usam sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras são encontrados juntos. Isso revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo que os cientistas mapeiem redes em grande escala.
Transformando a Conexão Neuronal em um Problema de Sequenciamento
“Traduzimos o problema da conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine uma grande quantidade de balões. O corpo principal de cada balão tem adesivos de código de barras exclusivos, e alguns se movem para a ponta da corda. Se dois balões estiverem amarrados juntos na ponta, 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 juntos. Estamos fazendo isso no cérebro, apenas no nível de milhares de células neurais. Com essas informações, podemos reconstruir um mapa sofisticado que representa as conexões entre todos esses grupos aparentemente flutuantes.”
Descobrindo Novas Conexões de Circuitos Cerebrais
Usando o Connectome-seq, a equipe mapeou mais de 1.000 neurônios em um circuito cerebral conhecido como circuito pontocerebelar, que liga duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade anteriormente desconhecidos, incluindo ligações diretas entre tipos celulares que não eram conhecidos por se conectar no cérebro adulto.
“Com as melhorias já em andamento em nosso laboratório, estamos confiantes de que podemos torná-lo ainda melhor e, eventualmente, alcançar o objetivo de mapear todo o cérebro do camundongo”, disse Zhao.
Poder de Transformar a Pesquisa sobre Alzheimer e Doenças Cerebrais
Por ser rápido e escalável, o Connectome-seq pode acelerar significativamente a pesquisa sobre doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Comparando as conexões cerebrais em indivíduos saudáveis com aquelas em diferentes estágios da doença, os cientistas podem ser capazes de identificar mudanças precoces em circuitos neurais.
“Com abordagens baseadas em sequenciamento, o tempo e o custo são muito reduzidos, o que realmente torna possível ver diferenças em diferentes cérebros. Poderíamos ver onde as conexões mudam, onde as partes mais vulneráveis do cérebro estão, talvez antes que os sintomas apareçam”, disse Zhao. “Por exemplo, se conseguirmos identificar onde exatamente está o elo fraco que inicia toda a cascata catastrófica na doença de Alzheimer, podemos fortalecer especificamente essas conexões para que a doença diminua ou não progrida.”
A pesquisa foi apoiada por uma concessão da Iniciativa Neuro-ômica do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford, além de financiamento da Fundação Elsa U. Pardee e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
