Reconstrução do cérebro humano revela um minúsculo fragmento sem precedentes

Um projecto à nanoescala constitui um enorme salto na compreensão do cérebro humano.

Com mais de 1,4 petabytes de dados de imagiologia por microscopia electrónica, uma equipa de cientistas reconstruiu um minúsculo segmento cúbico do cérebro humano.

Mede apenas um milímetro de cada lado, mas esse espaço microscópico concentra 57 000 células, 150 milhões de sinapses e 230 milímetros de vasos sanguíneos ultrafinos.

Resultado de quase uma década de trabalho, esta é até agora a reprodução mais extensa e pormenorizada do cérebro humano à resolução das sinapses, as estruturas que permitem aos neurónios transmitir sinais entre si.

"A palavra «fragmento» é irónica", afirma o neurocientista Jeff Lichtman, da Universidade de Harvard. "Para a maioria das pessoas, um terabyte é gigantesco; contudo, um fragmento de cérebro humano - apenas uma porção minúscula, pequeníssima, de cérebro humano - continua a corresponder a milhares de terabytes."

Porque é tão difícil estudar o cérebro humano

O cérebro humano é reconhecidamente complexo. No reino animal, as funções desempenhadas pela maior parte dos órgãos vitais são, em termos gerais, semelhantes, mas o cérebro humano pertence a uma categoria própria.

Também é extremamente difícil de investigar: há tantos processos a decorrer em escalas tão diminutas que ainda não conseguimos compreender em pormenor os circuitos sinápticos.

Cada cérebro humano possui milhares de milhões de neurónios, que enviam sinais uns aos outros através de biliões de sinapses, formando o centro de comando que regula o corpo humano.

Uma compreensão mais aprofundada do funcionamento deste órgão extraordinariamente complexo traria benefícios profundos aos estudos da função cerebral e das suas perturbações, desde lesões e doenças mentais até à demência.

Com esse objectivo, Lichtman e os seus colegas têm trabalhado no que designam por um "conectoma": um mapa do cérebro e de todas as suas ligações, capaz de ajudar a compreender melhor os casos em que essa cablagem apresenta alterações.

O objectivo actual do projecto de conectómica é reproduzir um cérebro inteiro de rato, mas aplicar técnicas semelhantes à reconstrução de, pelo menos, segmentos do cérebro humano só poderá acelerar o avanço do conhecimento.

A reconstrução H01 do cérebro humano

A reconstrução da equipa baseou-se numa amostra de cérebro humano removida de um doente com epilepsia durante uma cirurgia destinada a aceder a uma lesão subjacente. A amostra foi fixada, corada com metais pesados para realçar os pormenores, incorporada em resina e dividida em 5 019 cortes, com uma espessura média de 33,9 nanómetros, recolhidos em fita.

Os investigadores recorreram à microscopia electrónica de cortes seriais de elevado rendimento para captar esta pequena porção de tecido com um nível de detalhe impressionante, produzindo 1,4 petabytes (1 400 terabytes) de dados.

Estes dados foram analisados através de técnicas e algoritmos desenvolvidos especificamente para o efeito, o que gerou, segundo os investigadores, "uma reconstrução 3D de praticamente todas as células e prolongamentos existentes no volume alinhado".

Esta reconstrução, denominada H01, já revelou pormenores do cérebro humano que antes não tinham sido observados. A equipa surpreendeu-se ao verificar que as células gliais, ou células não neuronais, ultrapassavam os neurónios numa proporção de 2:1 na amostra, sendo os oligodendrócitos o tipo celular mais frequente - células que ajudam a revestir os axónios com mielina protectora.

Cada neurónio apresentava milhares de ligações relativamente fracas, mas os investigadores identificaram conjuntos raros e potentes de axónios ligados por 50 sinapses. Também descobriram que um pequeno número de axónios se organiza em espirais extensas e invulgares.

Como a amostra foi recolhida de um doente com epilepsia, não é claro se estas são características normais, embora raras, do cérebro humano ou se estão associadas à perturbação do doente. De qualquer modo, o trabalho expôs a enorme amplitude e profundidade do abismo que ainda separa o nosso conhecimento da compreensão do cérebro.

Próximos passos da conectómica

A etapa seguinte do trabalho da equipa passa por tentar compreender a formação do hipocampo do rato, uma região cerebral fortemente envolvida na aprendizagem e na memória.

"Se chegarmos a um ponto em que fazer um cérebro inteiro de rato se torne rotina, poderemos pensar em fazê-lo, por exemplo, em modelos animais de autismo", explicou Lichtman no ano passado à The Harvard Gazette.

"Existe um nível de compreensão sobre os cérebros que actualmente não existe. Conhecemos as manifestações externas do comportamento. Sabemos quais são algumas das moléculas que sofrem alterações. Mas, entre esses dois aspectos, os diagramas de ligação, até agora não havia forma de os ver. Agora, há uma forma."

A investigação foi publicada na Science, e os dados e a reconstrução H01 foram disponibilizados gratuitamente num sítio Web dedicado.