Mapa completo do cérebro de mosca-das-frutas é publicado
Um marco da connectomics: o cérebro completo da mosca-do-vinagre macho
A Google Research, em parceria com o HHMI Janelia Research Campus e outros colaboradores, publicou na revista Cell o mapa completo das conexões neurais (connectoma) do cérebro e do sistema nervoso central da mosca-do-vinagre (Drosophila melanogaster) macho. O mapa, intitulado "Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system", é resultado de uma parceria de uma década e contém mais de 166.000 neurônios e 125 milhões de conexões sinápticas - o maior mapa cerebral já produzido em número de neurônios.
O trabalho inclui também a corda nervosa ventral, estrutura análoga à medula espinhal, o que amplia a análise do cérebro para o modo como ele controla o corpo. O connectoma foi anotado e verificado por uma equipe de especialistas humanos do HHMI Janelia, e pode ser visualizado, explorado e baixado por meio do Neuroglancer, ferramenta de código aberto criada pela equipe para permitir a visualização de conjuntos de dados multidimensionais muito grandes.
Por que mapear cérebros de moscas
A Drosophila melanogaster é um organismo-modelo fundamental em genética, com comportamento estereotipado e ciclo de vida curto, e já contribuiu para vários Prêmios Nobel. Mapear os 86 bilhões de neurônios do cérebro humano ainda não é possível, por isso os cientistas usam IA para mapear organismos menores. Cérebros de espécies muito diferentes compartilham semelhanças, e esses mapas devem ajudar a decifrar como sistemas nervosos percebem o mundo e reagem a estímulos, além de apontar caminhos para um dia reparar vias neurais danificadas.
O novo connectoma macho complementa o mapa do cérebro da fêmea e o mapa recente do cérebro e corda nervosa completos da fêmea. Ter macho e fêmea mapeados permite comparar onde os neurônios diferem e estudar mecanismos biológicos do comportamento de cortejo e agressão. Nas regiões semelhantes nos dois sexos, os dois connectomas completos permitem começar a observar a variabilidade entre indivíduos.
Como o mapeamento é feito
A connectomics começa fatiando o cérebro em milhões de lâminas finas, fotografando cada seção e usando computação e IA para montar as imagens. A equipe desenvolve sistemas que transformam imagens de microscópio eletrônico em reconstruções 3D. Entre as ferramentas estão as flood-filling networks, que usam redes neurais convolucionais para partir de um pixel e identificar todos os pixels do mesmo objeto.
Em 2019, a equipe publicou uma reconstrução totalmente automatizada de um cérebro de mosca fêmea; em 2020, com colaboradores, lançou um mapa verificado por humanos de metade de um cérebro fêmea, com 25.000 neurônios e 21 milhões de conexões - recorde na época. Um esforço recente incorporou neurônios sintéticos aos dados de treinamento, melhorando velocidade e precisão do sistema de reconstrução PATHFINDER. A equipe também ajuda a desenvolver técnicas para rotular e anotar tipos específicos de neurônios; hoje, verificar e anotar as formas neurais exige anos de esforço humano, e reduzir essa correção manual permitiria projetos maiores dentro de orçamentos e prazos razoáveis.
Próximos passos: cérebros de peixes
O campo avança para vertebrados, anatomicamente mais próximos dos humanos. Em estudo liderado pela Columbia University e publicado na Nature, a equipe ajudou a mapear parte do hindbrain do peixe-elefante usada no processamento de sinais, mostrando pela primeira vez como um connectoma pode ser combinado com outras informações para estudar plasticidade neural e aprendizado, gerando o modelo mecanístico de aprendizado mais completo em um cérebro de vertebrado até hoje.
Larvas de zebrafish têm cérebros pequenos o bastante para mapeamento completo e são transparentes nessa fase, permitindo medir atividade neural - base do dataset ZAPBench. Um artigo com Harvard apresentará o primeiro dataset de cérebro inteiro de vertebrado com estrutura neural e tipo molecular, e a equipe lançou um dataset preliminar que combina atividade elétrica e estrutura neural no mesmo espécime.
Conclusão
Três artigos complementares mostram o uso do connectoma macho em pesquisas sobre sistemas visuais, paladar e comportamento social. Os métodos ajudarão em projetos futuros, como o mapa verificado do cérebro do zebrafish e o mapeamento de parte do cérebro do rato. Modelar os 86 bilhões de neurônios humanos segue fora de alcance, mas a equipe espera que esses esforços levem, um dia, a novas formas de tratar enfermidades cognitivas como Alzheimer, depressão e esquizofrenia, melhorar a saúde cerebral e apoiar reparos do cérebro.