Tecido cerebral humano cresce no cérebro de ratinhos em novo estudo

O maior obstáculo à compreensão do cérebro humano é a pessoa que o rodeia.

Os cientistas não podem simplesmente manipular a massa cinzenta de alguém enquanto essa pessoa continua a utilizá-la. Por isso, muitos dos processos envolvidos no desenvolvimento e na ligação dos circuitos cerebrais, bem como aquilo que os pode perturbar, continuam a ser pouco conhecidos.

Ao longo dos anos, os investigadores procuraram outras formas de estudar o tecido cerebral humano, desde células cultivadas em placas até pequenas estruturas tridimensionais chamadas organoides. Mas mesmo aos organoides mais sofisticados falta algo: o corpo que um cérebro normalmente controla.

Neurocientistas da Universidade de Stanford deram agora um grande passo para resolver esse problema. Fizeram crescer tecido cortical humano dentro de ratinhos cujo próprio córtex cerebral - a camada exterior do cérebro - tinha sido em grande parte eliminado por meios genéticos numa fase inicial do desenvolvimento.

Ao fim de três meses, o tecido humano tinha-se expandido até representar mais de 90 por cento do volume do tecido cortical. Nessa altura, continha vasos sanguíneos, tinha estabelecido ligações com o sistema nervoso do ratinho, tornara-se eletricamente ativo e enviara algumas projeções até à medula espinal.

«O ponto mais importante é que estes continuam a ser ratinhos», disse à ScienceAlert o neurocientista Sergiu Pașca, da Universidade de Stanford.

«Têm um sistema nervoso de ratinho, órgãos sensoriais de ratinho e estruturas subcorticais de ratinho. O que é invulgar é que a maior parte do tecido cortical presente nestes animais tem origem humana e que os neurónios humanos crescem, se integram e formam ligações funcionais com o resto do sistema nervoso do ratinho.»

Organoides humanos no cérebro de ratinhos

Nos últimos anos, os organoides cerebrais tornaram-se muito sofisticados.

Os cientistas conseguem agora cultivar aglomerados de tecido cerebral com uma grande variedade dos tipos de células presentes no sistema nervoso humano em desenvolvimento. Conseguem até juntar organoides que representam diferentes regiões, formando estruturas mais complexas chamadas assembloides.

Mas há um limite para o que se consegue fazer numa placa de Petri. Um organoide isolado não tem irrigação sanguínea, informação sensorial para processar nem músculos para controlar.

Pașca e os seus colegas procuram resolver este problema há anos. Em 2022, a equipa transplantou organoides corticais humanos para ratos recém-nascidos. Os neurónios humanos amadureceram, integraram-se no cérebro dos animais e até responderam à informação sensorial dos seus bigodes.

Persistia, contudo, uma dificuldade: os neurónios humanos desenvolvem-se muito mais lentamente do que os dos roedores. Os dois sistemas em desenvolvimento competiam pelo mesmo espaço. Os investigadores decidiram, por isso, eliminar a concorrência.

Para o conseguir, modificaram geneticamente ratinhos de modo a que a maior parte do córtex cerebral e do hipocampo nunca se desenvolvesse. Chamaram-lhes ratinhos «apaliais».

Alguns foram criados nessas condições até à idade adulta. Outros receberam transplantes de organoides corticais humanos pouco depois do nascimento, dando origem ao que os investigadores designam por ratinhos «xenocorticais».

À medida que os animais cresceram e amadureceram nos meses seguintes, os enxertos também cresceram, expandindo-se significativamente pelo espaço cortical vazio.

O tecido resultante não era uma réplica de um córtex humano. Mesmo após cerca de seis meses, continuava imaturo do ponto de vista do desenvolvimento, sendo aproximadamente comparável ao córtex humano a meio da gestação e não apresentando as camadas organizadas de um córtex maduro.

Ainda assim, começou a produzir neurónios que os investigadores tinham tido dificuldade em gerar noutros modelos.

Entre eles encontrava-se um grupo chamado neurónios extratelencefálicos da camada 5 (L5-ET), neurónios de projeção de longo alcance que normalmente ligam o córtex a partes distantes do sistema nervoso.

Nessa população, os investigadores identificaram também células semelhantes aos neurónios de von Economo (VENs). Estes neurónios invulgares e alongados encontram-se em regiões específicas do cérebro humano e têm sido particularmente difíceis de reproduzir em laboratório. Não tinham sido detetados no estudo anterior com ratos.

O que terá então o cérebro do ratinho que favorece o seu desenvolvimento?

«Ainda não sabemos e penso que esta é uma das questões mais interessantes suscitadas pelo estudo», afirmou Pașca.

«É […] possível que o facto de dar aos neurónios corticais humanos acesso a alvos distantes noutras partes do sistema nervoso lhes forneça sinais difíceis de reproduzir num organoide numa placa.

«Outra possibilidade é que existam fatores no ambiente de um organismo vivo que estão ausentes dos organoides numa placa. Estes podem incluir fatores tróficos ou de crescimento, sinais associados à atividade neuronal, vascularização ou outras interações com as células circundantes.»

Memória e possíveis aplicações

Saber o que acontece ao tecido cerebral humano era apenas metade da questão. A outra metade era perceber que efeito teria nos ratinhos.

Para o descobrir, os investigadores submeteram três grupos a um teste num labirinto em forma de Y: um grupo de controlo de ratinhos normais, sem alterações genéticas, os ratinhos apaliais sem enxerto e os ratinhos xenocorticais.

Os ratinhos preferem naturalmente explorar um braço do labirinto diferente daquele que acabaram de visitar. Assim, recordar onde já estiveram constitui um teste simples da memória de trabalho.

Os ratinhos do grupo de controlo tiveram um desempenho superior ao esperado por acaso. Os apaliais não o conseguiram, o que sugere que, sem a maior parte do córtex e do hipocampo, tinham dificuldade em recordar o braço que acabavam de explorar.

Já os ratinhos xenocorticais também tiveram um desempenho superior ao esperado por acaso.

«É um resultado intrigante, sobretudo porque os ratinhos apaliais não apresentaram o mesmo desempenho», disse Pașca. «Mas devemos ser cautelosos antes de concluir, apenas com base nisto, que os neurónios humanos são diretamente responsáveis pelo comportamento.»

Essa questão terá de ser esclarecida em estudos futuros.

Para já, o trabalho responde a uma pergunta mais fundamental que os cientistas procuravam abordar: não «podem as células cerebrais humanas melhorar o desempenho dos ratinhos em labirintos?», mas sim «podem os enxertos cerebrais humanos em ratinhos dar-nos uma forma de estudar o que acontece quando o cérebro deixa de funcionar corretamente?»

Isso poderá ter aplicações muito importantes.

«Uma possibilidade evidente é a demência frontotemporal. Como agora conseguimos gerar neurónios semelhantes aos VENs neste contexto, podemos obter organoides corticais a partir de doentes, investigar se estes neurónios raros apresentam vulnerabilidade seletiva e testar se intervenções candidatas os conseguem proteger», explicou Pașca.

«No caso da epilepsia, podemos investigar se os neurónios humanos associados à doença geram atividade anormal nos circuitos ou crises epiléticas e se essas anomalias podem ser corrigidas terapeuticamente.

«No autismo e noutras perturbações do neurodesenvolvimento, podemos investigar se alterações definidas nos circuitos corticais humanos conduzem a consequências funcionais ou comportamentais reproduzíveis no animal.»

Questões éticas da investigação

A integração de tecido neuronal humano noutro animal a esta escala levanta, inevitavelmente, questões éticas difíceis.

A equipa não esperou pelo fim das experiências para começar a colocá-las. Além da avaliação habitual da investigação com animais, Pașca disse que estiveram envolvidos especialistas em bioética de Stanford e uma comissão externa de neurocientistas, especialistas em ética, juristas e representantes dos doentes.

Uma das questões diz respeito aos próprios animais: se o seu sofrimento se justifica pelo tipo de investigação realizado ou se a informação pode ser obtida de outra forma.

«Outra questão importante é saber se a introdução de tecido neuronal humano cada vez mais complexo no sistema nervoso de um animal poderá originar propriedades inesperadas, emergentes ou novas que exijam uma avaliação ética adicional», afirmou Pașca.

«Considerámos explicitamente essa possibilidade e acompanhámos cuidadosamente os animais, tanto a nível biológico como comportamental, à medida que o trabalho avançava.»

Ao mesmo tempo, existe um custo ético em não desenvolver melhores modelos para as doenças neurológicas e psiquiátricas.

«As perturbações neurológicas e psiquiátricas afetam quase uma em cada cinco pessoas e, em muitas destas doenças, ainda não compreendemos suficientemente bem a biologia subjacente para desenvolver tratamentos eficazes», disse Pașca.

«Muitas destas perturbações envolvem circuitos neuronais humanos e consequências comportamentais que não podem ser adequadamente modelados em modelos animais convencionais ou em células humanas isoladas.»

Os resultados foram publicados na Nature.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, também somos humanos. Se detetar algum erro, agradecemos que nos informe.