Imagine olhar para a terra do espaço e poder ouvir o que os indivíduos estão dizendo um para o outro.É sobre o quão desafiador é entender como o cérebro funciona.
Da superfície enrugada do órgão, zoom em um milhão de vezes e você verá um caleidoscópio de células de diferentes formas e tamanhos, que se ramificam e alcançam um para o outro.Zoom em mais 100.000 vezes e você verá o funcionamento interno das células-as pequenas estruturas em cada uma, os pontos de contato entre elas e as conexões de longa distância entre as áreas do cérebro.
Scientists have made maps such as these for the worm1 and fly2 brains, and for tiny parts of the mouse3 and human4 brains.Mas esses gráficos são apenas o começo.Para entender verdadeiramente como o cérebro funciona, os neurocientistas também precisam saber como cada um dos cerca de 1.000 tipos de células que existem no cérebro se falam em seus diferentes dialetos elétricos.Com esse tipo de mapa completo e com contornos, eles poderiam realmente começar a explicar as redes que impulsionam como pensamos e nos comportamos.
A Rede de Censo de Células da Iniciativa Cerebral - córtex motor
Esses mapas estão surgindo, inclusive em uma série de artigos publicados nesta semana que catalogam os tipos de células no cérebro.Os resultados estão fluindo dos esforços do governo para entender e conter o crescente fardo dos distúrbios cerebrais em suas populações envelhecidas.Esses projetos, lançados na última década, visam sistematicamente traçar as conexões do cérebro e catalogar seus tipos de células e suas propriedades fisiológicas.
É um empreendimento oneroso."Mas conhecer todos os tipos de células cerebrais, como elas se conectam e como interagem, abrirão um conjunto totalmente novo de terapias que nem podemos imaginar hoje", diz Josh Gordon, diretor do Instituto Nacional dos EUA deSaúde Mental (NIMH) em Bethesda, Maryland.
Os maiores projetos começaram em 2013, quando o governo dos EUA e a Comissão Europeia lançaram os esforços de 'luar' para fornecer serviços a pesquisadores que ajudarão a quebrar o código do cérebro de mamíferos.Cada um deles despejou vastos recursos em programas sistemáticos em larga escala com objetivos diferentes.O esforço dos EUA - que custa US $ 6.6 bilhões até 2027 - concentrou -se no desenvolvimento e aplicação de novas tecnologias de mapeamento em sua iniciativa cerebral (pesquisa cerebral através do avanço da iniciativa de neurotecnologias inovadoras) (consulte 'Big Brain Orçamentos').A Comissão Europeia e suas organizações parceiras gastaram € 607 milhões (US $ 703 milhões) no Projeto Brain Humano (HBP), que visa principalmente criar simulações do circuito do cérebro e usando esses modelos como uma plataforma para experimentos.
Inspirado por esses esforços, que inicialmente se concentraram em ratos, em 2014 o Japão lançou seu projeto cerebral/mentes (mapeamento cerebral por um projeto integrado de neurotecnologias para estudos de doenças), uma grande parte do qual envolve mapear redes neurais no cérebro do saguão.Desde então, outros países, incluindo Canadá, Austrália, Coréia do Sul e China, lançaram ou prometeram lançar generosos programas de ciência cerebral com objetivos mais distribuídos.
Essas obras em andamento já estão gerando conjuntos de dados colossais-e diversos-, os quais serão abertos à comunidade.Em dezembro de 2020, por exemplo, o HBP lançou sua plataforma Ebrains para fornecer acesso a conjuntos de dados em várias escalas, as ferramentas digitais para analisá -las e os recursos para realizar experimentos (https: // ebrains.UE).
Um dos maiores e mais bem financiados esforços, financiados pela Iniciativa Brain, é um catálogo gigante de tipos de células que está sendo criado pela Rede de Censo de Células da Iniciativa Brain (BICCN), um consórcio de 26 equipes nas instituições de pesquisa dos EUA.O catálogo descreve quantos tipos diferentes de células cerebrais existem, em que proporções elas existem e como elas são dispostas espacialmente.
"Compreender o cérebro requer conhecimento de seus elementos básicos e como eles são organizados", diz Josh Huang, membro da BICCN, neurobiologista da Duke University em Durham, Carolina do Norte."É o nosso ponto de partida para descobrir como um circuito neural é construído e funções - e, finalmente, para entender os comportamentos complexos que esses circuitos acionam.”
Um censo de tipos de células no córtex motor do cérebro
O BICCN está publicando uma parcela de 17 artigos em natureza em 7 de outubro;Vários outros trabalhos já foram publicados em todo o portfólio da natureza.O consórcio mapeou os tipos de células em cerca de 1% do cérebro do mouse e possui alguns dados preliminares sobre cérebros de primatas, incluindo humanos.Planeja completar o cérebro inteiro do mouse até 2023.Os mapas já sugerem algumas pequenas diferenças entre espécies que poderiam ajudar a explicar nossa suscetibilidade a algumas condições específicas de humanos, como a doença de Alzheimer.
Os neurocientistas estão particularmente empolgados com o fato de o BICCN estar construindo ferramentas que visam tipos de células e circuitos específicos relevantes para a doença, o que ajudará a testar hipóteses sobre a função cerebral e desenvolver terapias.
O catálogo de células é uma pedra de toque muito necessária, diz o neurocientista Christof Koch, cientista-chefe do programa MindScope do Instituto Allen de Ciência do Cérebro em Seattle, Washington.“Nada em química faz sentido sem a tabela periódica, e nada fará sentido para entender o cérebro sem entender a existência e a função dos tipos de células.”
Caçador de tipos
Mais de um século atrás, o neurocientista espanhol Santiago Ramón y Cajal foi o primeiro a mostrar quantos tipos de células diferentes havia no cérebro de mamíferos.Ele manchou os neurônios para que pudessem ser vistos sob um microscópio e depois fez desenhos precisos e bonitos de suas formas.Entre as poucas dezenas de tipos que ele encontrou, alguns tinham extensões - ou axônios - que chegaram a corpos celulares de Blobby, como as pernas de aranhas, a longas distâncias.Alguns tinham axônios curtos;Outros pareciam mais estrelas.Ele deduziu que, como os axônios de cada célula estavam muito próximos dos corpos celulares dos outros, eles provavelmente estavam transmitindo informações.Ele compartilhou o Prêmio Nobel de 1906 em fisiologia ou medicina para suas descobertas.
A maioria dos estudos de tipos de células se concentrou no córtex do cérebro, que controla muitos dos comportamentos mais sofisticados de um animal.Nas últimas três décadas, os neurocientistas descobriram que existem três classes principais de células no córtex, para as quais as linhagens podem ser rastreadas até diferentes estágios de desenvolvimento.Isso inclui duas classes de neurônio - inibitório e excitatório.Ambos transmitem pulsos elétricos, mas o primeiro suprime a atividade nos neurônios parceiros e os outros incitam.A terceira classe compreende um grande número de células não neuronais que sustentam e protegem os neurônios.
Ao longo das décadas, os neurocientistas usaram todas as novas tecnologias adequadas que surgiram para ajustar a definição do que constitui um tipo de célula distinto nessas classes.As células que parecem superficialmente as mesmas, perceberam os pesquisadores, podem ser tipos de células diferentes, dependendo de suas conexões com outras células ou regiões do cérebro, ou suas propriedades elétricas.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores estavam coletando dados sobre como os neurônios se conectam nas redes e quais são as propriedades das redes.(Quando o HBP foi lançado, ele se concentrou em gerar os algoritmos e o poder de computação para ajudar os pesquisadores a simular como essas redes podem funcionar juntas.)
A partir da década de 1990, os pesquisadores começaram a estudar a atividade dos genes em diferentes tipos de células e como sua expressão refletia suas propriedades.
Em 2006, o Instituto Allen criou um atlas de expressão de genes mostrando onde no cérebro do mouse cada um de seus cerca de 21.000 genes é expresso.Levou 3 anos para cerca de 50 funcionários para construir o Allen Brain Atlas One Gene de cada vez - e seu valor foi instantaneamente reconhecido pela comunidade de neurociência.Ele é atualizado regularmente e continua sendo amplamente utilizado como referência, ajudando os cientistas a localizar onde seu gene de interesse é expresso ou a estudar o papel de um gene particular em uma doença.
Ainda assim, a comunidade queria mais."Queríamos poder ver todos os genes que são expressos em todas as células ao mesmo tempo", diz Hongkui Zeng, diretor do Instituto Allen de Ciência do Cérebro.Os diferentes padrões de expressão gênica em células individuais permitiriam que os pesquisadores definissem qual tipo de célula eles eram-uma tarefa ambiciosa porque o cérebro de camundongo contém mais de 100 milhões de células, dois terços dos quais são neurônios.(O cérebro humano é três ordens de magnitude maior, com mais de 170 bilhões de células, das quais metade são neurônios.)
Uma tecnologia de mudança de jogo que surgiu em meados dos anos 2000 prometeu ajudar a conseguir isso.Os cientistas haviam desenvolvido uma maneira de sequenciar o RNA em células únicas, uma técnica que transformou todas as áreas da biologia na última década.O transcriptoma de uma célula-o RNA que representa uma leitura de todos os seus genes codificadores de proteínas-é um indicador de quais proteínas a célula está produzindo em um determinado momento.
Em 2017, a iniciativa Brain decidiu financiar uma rede de laboratórios, incluindo o Instituto Allen como um jogador importante, para usar esse método e outros tecnologias ainda mais recentes para mapear e caracterizar os tipos de células em todo o cérebro (consulte 'Métodos de mapeamento').Dois anos depois, os cientistas da Biccn estavam prontos para começar seu esforço.
Sequenciamento frenesi
Para seu projeto piloto, os pesquisadores escolheram um alvo modesto: um pequeno canto do cérebro do rato conhecido como o córtex motor, que processa informações sobre o planejamento e a execução do movimento.O córtex motor tem colegas inequívocas em todos os mamíferos, possibilitando comparar resultados de ratos, humanos e outras espécies.Eles mediram o teor de RNA em mais de 1.1 million individual cells and analysed how it clustered5.O esforço levou cerca de dez cientistas da Biccn apenas três meses.
Eles encontraram 56 grupos distintos, cada um considerado para representar um tipo de célula diferente.Uma grande questão é se a classificação genética de uma célula combina com tudo o que faz, incluindo como ele dispara, que forma tem e onde projeta, diz o Ed Lein, do Allen Institute,.
Leia o papel: um censo celular multimodal e atlas do córtex motor primário de mamíferos
Até agora, parece combinar, ele diz.Lein liderou um projeto paralelo de BICCN que analisou o tecido cerebral fresco removido de um indivíduo durante a cirurgia para o câncer de cérebro, usando um método particularmente poderoso chamado patch -seq, que permite três tipos distintos de medição de uma única célula.A técnica usa uma pipeta de vidro especial que prende a membrana da célula, registra sua atividade elétrica, infunde um corante na célula para que sua anatomia possa ser visualizada e depois suga o conteúdo da célula para análise de transcriptoma.
The team showed that cells with a common transcriptomic pattern also shared the same distinct shape and firing patterns6."Isso indica que a transcriptômica pode servir como uma pedra de Rosetta para interpretar a diversidade de células e prever propriedades celulares", diz Lein.
Cientistas fora da colaboração já se inspiraram nos resultados, particularmente a descoberta de que os neurônios de uma única classe podem ser tão diferentes um do outro.
Dois anos atrás, o neurocientista Anne Churchland na Universidade da Califórnia, Los Angeles, começou a projetar um conjunto de experimentos em ratos para verificar se essa diversidade importava em neurônios excitatórios. Her early results, which have not been peer reviewed7, suggest that it might: different excitatory neurons fire at different times as mice perform a listening task."Estamos em um estágio realmente emocionante", diz ela.
Cérebros maiores
Na próxima fase do censo celular, as equipes se concentrarão mais em cérebros maiores.Parte deste trabalho já começou. RNA sequencing of post-mortem marmoset and human brains has revealed remarkable consistency in cell types across species6.O que, então, explica o poder cognitivo marcadamente superior dos seres humanos?
"A principal mensagem para levar para casa desses estudos é que o plano geral dos tipos de células é conservado para entre as espécies", diz Lein.“Ainda assim, você pode encontrar evidências para especializações de espécies que são bastante significativas, mesmo que sejam apenas variantes de um tema.Os estudos transcriptômicos da BICCN mostram uma maior diversidade de tipos de células no cérebro humano do que no cérebro de camundongos, particularmente em neurônios que mais recentemente evoluíram. One of these corresponds to a type of neuron known to be selectively depleted in Alzheimer’s disease8.
Além disso, a proporção de diferentes tipos de células varia entre humanos, saguis e ratos.Essas propriedades podem nos ajudar a entender melhor as doenças específicas de humanos, diz Lein.
Lein agora está realizando análises transcriptômicas em 100 cérebros post mortem de pessoas que tiveram a doença de Alzheimer quando morreram.Comparando esses mapas específicos da doença com os mapas de referência do BICCN revelará mais sistematicamente os mais vulneráveis de nossas células, ele diz.
Outra diferença destacada pelos estudos da BICCN é a grande mudança no equilíbrio de neurônios excitatórios e inibitórios no córtex entre camundongos, saguis e humanos. The ratio is 2:1 in humans, compared with 3:1 in marmosets and 5:1 in mice6.Essa é uma descoberta surpreendente e bastante misteriosa, observa Lein."Essas diferenças cumulativas podem levar a profundas mudanças na maneira como o córtex humano é organizado e funções", diz ele.
O que torna o cérebro humano especial se resumir a diferenças na diversidade celular, as proporções dos tipos de células, a fiação do cérebro e provavelmente muito mais, diz o neurocientista John Ngai, que chefia a iniciativa cerebral dos EUA em Bethesda, Maryland, Maryland."Não há resposta simples para esta pergunta antiga.”
De mapas à medicina
Uma das próximas etapas para a iniciativa cerebral, diz Ngai, será criar ferramentas que visam seletivamente tipos de células específicas em circuitos relevantes para doenças e entregar moléculas terapêuticas que podem ajustar esses circuitos para cima ou para baixo.
The targeting method that researchers are particularly excited about relies on the BICCN’s discovery of short snippets of DNA that are unique to individual cell types9. These short sequences can serve as markers for those cell types, allowing researchers to create mouse strains in which they can target different cells and manipulate the cells’ activity10 — and therefore the activity of the associated circuits.Tanto a ciência básica quanto a medicina se beneficiam."A capacidade de atingir todas as células do cérebro será um grande apoio à pesquisa fundamental", diz Edvard Moser, do Instituto Kavli de Neurociência de Sistemas em Trondheim, na Noruega, que compartilhou o Prêmio Nobel de 2014 em fisiologia ou medicina para seu trabalho em navegaçãono cérebro.
Essas ferramentas também serão "extremamente importantes" para a terapia genética, um tratamento que substitui um gene que está faltando ou quebrado, diz Botond Roska no Instituto de Oftalmologia Molecular e Clínica em Basileia, Suíça, Suíça.Roska está testando a primeira terapia optogenética do mundo-na qual proteínas sensíveis à luz são inseridas nos neurônios na retina-em pessoas com um certo tipo de cegueira. He says it took him 19 years from deciding to identify the appropriate cells in the retina to publishing the successful treatment of the first individual11 in May.As atividades da BICCN acelerarão pesquisas para cientistas que trabalham em outras áreas do cérebro no futuro, ele diz.
Os desenvolvedores de medicamentos para condições psiquiátricas e neurológicas precisam considerar o tipo de célula, mas até agora isso não foi possível, diz Gordon."No momento, estamos jogando medicamentos em todas as células de uma só vez, sem saber quais células eles afetam - é por isso que tantos de nossos tratamentos em psiquiatria e neurologia têm efeitos colaterais significativos.”
Ampliando
Saber as partes do cérebro é uma coisa.Saber como eles trabalham juntos é outro.Alguns dos grandes projetos cerebrais, juntamente com vários grupos de pesquisa independentes em todo o mundo, estão trabalhando na organização espacial dos tipos de células e suas conexões - conhecidas como Connectomes - para muitas espécies, incluindo ratos e humanos.
Para fazer isso, os cientistas mancham o cérebro e depois cortam -o em camadas ultrafinas, cujas imagens são capturadas por um microscópio eletrônico.Em seguida, eles empilham as imagens e usam inteligência artificial para rastrear o caminho 3D de cada célula.A resolução é tão fina que expõe todas as sinapses - pequenas estruturas na membrana de uma célula que forgem conexões químicas com outras células.
A busca por segredos do cérebro humano
Cientistas do Janelia Research Campus, em Ashburn, Virgínia, esperam completar a fruta do conectome no próximo ano.A escala do empreendimento necessária para espécies maiores significa que mais conectomos completos são anos, se não décadas, longe.O BICCN planeja criar um mapa anatômico 3D de todo o cérebro de camundongo usando microscopia eletrônica de alta resolução-fornecendo a ampliação de bilhões de dobras necessárias para ver o funcionamento interno das células.Os cientistas que trabalham no Projeto Japan Brain/Minds estão rastreando o saguido Connectome, e alguns grupos fora dos projetos de grande cérebro apoiado pelo governo, incluindo três em diferentes institutos da Sociedade Max Planck da Alemanha, estão trabalhando no Connectomes de outros grandes mamíferos.
Os esforços atuais são limitados pelo poder computacional necessário para reconstruir até as menores manchas de tecido cerebral.Mas esses pequenos volumes do Connectome ainda são úteis, diz Moritz Helmstaedter, diretor do Instituto Max Planck de Pesquisa Cerebral em Frankfurt, Alemanha, porque “podemos começar a fazer perguntas interessantes sobre como nossos circuitos são moldados por nossa experiência individual ou evolutivapredisposição".
Barreiras cerebrais
A maioria dos neurocientistas pensa que grandes projetos de mapeamento são essenciais para o futuro do campo, mas alguns permanecem cautelosos.O neurofisiologista Tony Movshon, na Universidade de Nova York, é cético de que o conhecimento detalhado dos tipos de células e Connectomes terá ajuda imediata."Já sabíamos alguns tipos de células da morfologia e outras classificações antes de alguém fazer uma análise transcriptômica, e ainda estamos completamente no mar", diz ele.“Saber que existem tipos mais geneticamente distintos não será muito útil no curto prazo para entender como um circuito funciona.”
Mas ferramentas que permitem a marcação ou manipulação de tipos de células específicos serão "fantásticos", ele diz.“Teríamos aprendido muito mais se soubéssemos mais sobre as células que estamos gravando.”
Movshon também era cético do Projeto Genoma Humano (HGP) quando foi lançado em 1990, mas, novamente, ele diz, os spin-offs do projeto-incluindo as ferramentas que permitiram o trabalho do censo celular-foram transformadoras.
Os cientistas veem muitos outros paralelos entre o BICCN e os esforços do HGP, em termos de insights científicos, bem como ferramentas de pesquisa.Uma vez que o rascunho do genoma humano foi concluído em 2001, os pesquisadores perceberam que os humanos não têm significativamente mais genes do que os ratos.Eles descobriram que, para entender como o sistema funcionava, precisavam de mais do que apenas o catálogo básico de partes.Eles precisavam de camadas extras de informações sobre como e quando os genes são expressos e como os genes se influenciam e interagem com o ambiente.
O desafio é semelhante para o Biccn, mas seu escopo acabará diminuindo o do HGP, diz Huang.“O genoma é apenas um tipo de informação, uma série de nucleotídeos;O atlas do tipo celular é muitos tipos diferentes de informação.”
À medida que o fluxo de dados do censo celular continua, os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de combinar as informações em uma 'estrutura de coordenada comum' - uma espécie de cérebro de referência para uma espécie específica.Dessa forma, vários tipos de informações podem ser retirados de um único local.
A plataforma EBRAINS do HBP está criando sua própria estrutura de coordenadas comuns.É um desafio computacional enorme, mas essencial, vincular diferentes tipos de informações biológicas no mesmo espaço, para que os estudos em - e eventualmente entre - as espécies possam ser comparadas, diz Wim Vanduffel, neurofisiologista da Universidade Católica de Leuven na Bélgica, quefaz parte do esforço do HBP."Estruturas comuns servem como pontos de ancoragem", diz ele.
O HBP e o Biccn estão discutindo como vincular seus dados."O Biccn é de baixo para cima e estamos de cima para baixo", diz Katrin Amunts, neurocientista da Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf, Alemanha e diretor de pesquisa científica do HBP.
O objetivo final é construir um observatório que possa integrar dados de todos esses projetos em uma imagem grandiosa e unificada.Quatro anos atrás, com isso em mente, os pesquisadores dos projetos de grande cérebro se reuniram para criar a Iniciativa Internacional do Cérebro, uma organização frouxa com a principal tarefa de ajudar os neurocientistas a encontrar maneiras de agrupar e analisar seus dados.
No horizonte distante está a perspectiva de invadir os circuitos do cérebro para remediar distúrbios cerebrais, diz Koch.
"O cérebro é a peça mais impressionante de matéria altamente ativa no universo", diz ele.“Não há bala mágica para quebrar como funciona, mas ter o hardware básico levará a uma compreensão mecanicista de seus circuitos.”
