Novo mapa 3D mapeado com IA do Google revela uma fatia “misteriosa, mas bela” do cérebro humano
Os pesquisadores mapearam uma pequena porção do cérebro humano em uma escala sem precedentes, detalhando vividamente cada célula cerebral, ou neurônio, e as intrincadas redes que eles formam com outras células.
O mapa cerebral inovador, construído por pesquisadores de Harvard e do Google, revela cerca de 57 mil neurônios, 230 milímetros de vasos sanguíneos e 150 milhões de sinapses, ou pontos de conexão entre neurônios.
Dr. Jeff Lichtman, professor de biologia molecular e celular na Universidade de Harvard que co-liderou o projeto de 10 anos, disse que não podia acreditar no mapa detalhado quando o viu pela primeira vez. “Eu nunca tinha visto nada assim antes”, disse ele ao WordsSideKick.com.
O cérebro humano é um órgão extremamente complexo com cerca de 170 bilhões de células, incluindo 86 bilhões de neurônios. Os pesquisadores já espiaram o cérebro na escala de milímetros usando ressonância magnética (MRI). E, mais recentemente, técnicas avançadas de microscopia revelaram detalhes numa escala muito menor, melhorando a nossa compreensão do funcionamento interno do cérebro.
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Agora, usando esses métodos de microscopia e uma inteligência artificial (AI) chamado aprendizado de máquina, Lichtman e seus colegas criaram um mapa 3D a partir de um pedaço de cérebro na escala de um nanômetro, ou 1 milionésimo de milímetro. Isto apresenta uma imagem do órgão com a resolução mais alta que os cientistas já alcançaram.
O atlas celular resultante, descrito na revista Ciência em 9 de maio, também é disponível para cientistas lerem online.
Este mapa representa um pequeno pedaço de cérebro com um volume de cerca de 1 milímetro cúbico – menor que um grão de arroz. Um cérebro adulto inteiro é um milhão de vezes maior.
O fragmento cerebral foi coletado de uma mulher de 45 anos que havia sido submetida a uma cirurgia cerebral para tratar a epilepsia. Os médicos retiraram o pedaço do córtex cerebral, o porção mais externa do cérebro dela. Depois de fixar a amostra em conservantes, os pesquisadores a coloriram com metais pesados para ajudá-los a ver as células. Eles então embutiram o tecido em resina e o cortaram em mais de 5 mil fatias, cada uma medindo cerca de 30 nanômetros de espessura.
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“Isso é cerca de um milésimo da espessura de um fio de cabelo”, disse Lichtman. A equipe escaneou cada uma das fatias com um microscópio eletrônico de alta velocidade, que usa múltiplos feixes de elétrons para iluminar as células da amostra. Eles então enviaram os dados microscópicos ao Google para análise posterior usando IA.
Os pesquisadores do Google usaram modelos de aprendizado de máquina para identificar o mesmo objeto em diferentes imagens microscópicas e, em seguida, criar uma renderização 3D de cada objeto em todas as imagens. Eles então costuraram eletronicamente as representações para reconstruir toda a amostra em três dimensões. O mapa 3D final contém gigantescos 1,4 petabytes, ou 1 milhão de gigabytes, de dados.
“A quantidade e a complexidade dos dados gerados neste projeto exigiram a capacidade do Google de desenvolver aprendizado de máquina e algoritmos de IA de última geração para reconstruir o conectoma 3D”, Viren Jainum cientista sênior do Google que co-liderou o projeto, disse ao Live Science por e-mail.
O mapa detalhado dos cientistas contém várias surpresas. Por exemplo, eles descobriram que alguns dos fios de saída dos neurônios, ou axônios, se enrolavam em nós, formando espirais que Jain descreveu como “misteriosos, mas bonitos”. A equipe também encontrou conexões raras entre neurônios, nas quais axônios singulares estavam ligados a até 50 sinapses.
“Ainda estamos investigando a função dessas conexões, mas elas podem explicar como respostas muito rápidas ou memórias muito importantes são codificadas”, disse Jain ao WordsSideKick.com.
Resta saber se as espirais e as sinapses superfortes têm alguma coisa a ver com a epilepsia do doador de tecido, ou se seriam vistas em cérebros de pessoas sem a doença, observou Lichtman. Ele acrescentou que a equipe está agora examinando o tecido cerebral de uma pessoa com Parkinson, o que pode começar a resolver a questão.
Ele acrescentou que é improvável que amostras de tecido cerebral de duas pessoas sejam exatamente iguais, em parte porque a maneira como o cérebro se conecta depende das experiências de cada indivíduo.
A seguir, a equipe pretende mapear todo o cérebro de um camundongo, que seria 500 vezes o tamanho desta amostra de cérebro humano. Eles estão começando com o hipocampo, uma região fundamental para o aprendizado e a memória.
“Já iniciamos a ambiciosa tarefa”, disse Lichtman.
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