Pesquisadores taiwaneses conseguiram codificar cerca de 16 mil neurônios, de um total de 100 mil, no cérebro de uma mosca de fruta, ou drosófila, e reconstruir o mapeamento de seu cérebro.
Em termos similares àqueles que definem computadores, a equipe descreve a arquitetura geral do cérebro da mosca como uma composição de 41 unidades de processamento local, 58 feixes que ligam as unidades a outras partes do cérebro e seis centros.
Biólogos veem esse atlas do cérebro da mosca como o primeiro passo para compreender o cérebro humano. Seis dos elementos químicos que transmitem mensagens entre neurônios são os mesmos nas duas espécies. E a estrutura geral _ dois hemisférios com inúmeras ligações cruzadas _ também é similar.
“Acho que esse é o começo de um novo mundo”, disse Ralph Grenspan, neurobiólogo da Universidade da Califórnia, em San Diego. Agora os biólogos deverão ser capazes de comparar os comportamentos da mosca de fruta, detalhadamente estudados, com os circuitos cerebrais estabelecidos pelo novo atlas, disse ele.
O atlas é mantido num supercomputador em Taiwan, que pode ser consultado por biólogos de moscas do mundo todo. Eles também podem atualizar o atlas, subindo suas próprias imagens de neurônios de moscas. “Acho que isso irá realmente acelerar o progresso”, afirmou Josh Dubnau, neurobiólogo do Laboratório Cold Spring Harbor, em Nova York.
A equipe de Taiwan é liderada por Ann-Shyn Chiang, que trabalha no projeto há uma década. Ele reuniu um grupo de 40 pessoas, que incluem programadores e engenheiros de computação, trabalhando num orçamento de aproximadamente US$1 milhão por ano.
A base do atlas é uma técnica para visualizar a estrutura tridimensional de neurônios individuais, além do núcleo da célula, seu longo axônio e as pequenas ramificações, ou dendritos, através dos quais é feito o contato com outros neurônios.
A complexa estrutura de um neurônio pode ser tornada aparente com uma proteína verde fluorescente, baseada numa usada por águas-vivas. O gene para a proteína é inserido no genoma da mosca de fruta, junto a outro gene que o reprime. Chiang desenvolveu uma técnica para suspender a repressão sobre o gene em apenas um neurônio a cada vez. Quando o gene se expressa, a proteína verde fluorescente chega a todas as partes do neurônio, definindo sua estrutura em detalhes impressionantes.
Ele também inventou um incrível solvente para tornar transparente o cérebro da drosófila. Isso é crucial para que o neurônio verde brilhante seja representado com precisão. O solvente é tão eficaz que, se um pesquisador não ficar de olho no cérebro dissecado enquanto ele está numa lâmina de microscópio, o cérebro simplesmente desaparecerá quando o solvente for adicionado, segundo Dubnau.
Cada cérebro de mosca tem tamanho e formato diferentes. Assim, a equipe de Chiang teve de definir as dimensões médias para macho e fêmea, criando um cérebro virtual com dimensões padronizadas. Em seguida, eles desenvolveram algoritmos para revisar a imagem 3-D de cada neurônio _ de forma a trazê-las ao registro com o cérebro padrão. Isso significa que todas as 16 mil imagens de neurônios, cada uma obtida de uma mosca diferente, podem ser comparadas entre si.
Em seguida, cada neurônio recebe um código de barras com as coordenadas de onde fica seu núcleo celular considerando-se o cérebro padrão da Drosophila, além de informações sobre as quais outras partes do cérebro o neurônio se conecta, e que tipo de transmissor químico ele usa.
Houve um grande contratempo quando o projeto já estava pela metade; Chiang descobriu que poderia coletar dados cinco vezes mais rápido se registrasse as imagens dos neurônios de outra maneira. “Infelizmente”, disse ele por e-mail, “tivemos de jogar todos os dados antigos fora”, embora mais de três mil neurônios já tivessem sido registrados.
Os códigos de barra dos neurônios são dados numéricos que podem ser manipulados por computador. Com 6 mil imagens em mãos, a equipe de Chiang foi capaz de analisar a arquitetura geral do cérebro da drosófila fêmea. O elemento básico, chamado por eles de unidade de processamento local, é um grupo de neurônios com interneurônios de conexão que não se estendem para além do grupo. Feixes de neurônios de maior alcance conectam as unidades de processamento local umas às outras.
As unidades de processamento local correspondem às regiões anatômicas conhecidas do cérebro da mosca. Elas são as mesmas em todos os indivíduos e lidam com tarefas específicas, como paladar ou movimento.
O cérebro da mosca acaba sendo “um sistema híbrido entre a computação em grade e um supercomputador”, afirmou Chiang. “Ele nos diz como um cérebro complexo é montado e como ele opera. Dadas as crescentes evidências de conservação em programas genéticos sustentando o desenvolvimento e as funções cerebrais, o cérebro humano tende a consistir de unidades de operações básicas similares”.
Até hoje, o único sistema nervoso explorado em mais detalhes é o do nematelminto C. elegans, outro organismo de laboratório. Mas o sistema do pequeno verme possui apenas 302 neurônios, e talvez não seja inteiramente merecedor de ser considerado um cérebro. O cérebro da mosca, com seus 100 mil neurônios, pode ser um melhor ponto de partida para compreender o cérebro humano, que possui estimados 100 bilhões de neurônios _ cada um com cerca de mil sinapses.
“A beleza deste artigo está na plenitude do que ele fez; está na presciência que foi necessária para desenvolver, ao longo de uma década ou mais, um grupo completo de novos métodos para resolver um problema visto como fundamental”, disse Dubnau, referindo-se ao trabalho da equipe de Chiang. O relato de Chiang foi publicado na última edição da “Current Biology”.
“Ontem, quase caí da cadeira”, afirmou Olaf Sporns, que projeta modelos computacionais de circuitos neurais na Universidade de Indiana. A matriz exibindo a interligação do cérebro da mosca, no artigo de Chiang, atingiu Sporns como a matriz que ele havia recentemente construído para o córtex humano.
A construção do cérebro da mosca e dos mamíferos parece seguir o mesmo princípio de “mundo pequeno”, aquele do alto agrupamento local de neurônios, reunidos com conexões de longo alcance. “Então existe uma semelhança aqui, e acho que isso se relaciona com o fato de esses sistemas precisarem cumprir metas similares”, disse Sporns.
“Agora os pesquisadores podem apontar com exatidão como as informações fluem através da rede cerebral da mosca, na busca por certos resultados”, afirmou ele.
Chiang diz que continuará construindo seu atlas até ter imagens de todos os 100 mil neurônios do cérebro da mosca, e afirma ainda não pensar em mapear as sinapses _ as precisas conexões que um neurônio faz com os outros.
Mas Greenspan diz que seria possível _ em princípio _ mapear sinapses dividindo em duas a proteína verde fluorescente usada para delinear os neurônios. Os neurônios poderiam ser obrigados a exportar as meias-proteínas a suas sinapses, e quando as duas metades se fundissem, elas brilhariam em verde e permitiriam que a sinapse fosse lida e mapeada.
Com um diagrama completo dos neurônios da mosca e suas conexões sinápticas, os pesquisadores poderiam testar suas ideias sobre como a informação flui no cérebro _ e até mesmo computar o produto que deveria resultar de certa entrada.
“Se tivéssemos um mapa celular completo e um bom banco de dados, a criação de organismos virtuais não estaria fora de cogitação”, concluiu Sporns.
