Cientistas mapeiam a fiação oculta do cérebro usando códigos de barras de RNA em um grande avanço
Os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira poderosa de mapear como as células cerebrais se conectam, marcando os neurônios com “códigos de barras” moleculares. Usando essa técnica, eles conseguiram mapear milhares de conexões neurais no cérebro do rato com velocidade e detalhes notáveis.
Este método poderia aprofundar a compreensão de como as redes cerebrais complexas são organizadas e como funcionam. Também pode esclarecer o que acontece de errado nos distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Ao projetar um computador, você precisa conhecer os circuitos da unidade central de processamento. Se você não sabe como tudo está conectado, não será possível entender sua função, otimizá-lo ou consertá-lo quando algo quebra. Estamos abordando o cérebro da mesma maneira”, disse o líder do estudo, Boxuan Zhao, professor de biologia celular e do desenvolvimento na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
“Nossa tecnologia permite o mapeamento simultâneo de milhares de conexões neurais com resolução de sinapse única – uma capacidade que não existe em nenhuma tecnologia atual. É diretamente aplicável à compreensão da disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas guiadas por circuitos”, disse ele.
As descobertas foram publicadas na revista Métodos da Natureza.
Uma maneira mais rápida e detalhada de mapear o cérebro
Mapear o cérebro tem sido tradicionalmente lento e difícil. Os cientistas muitas vezes tiveram que cortar o tecido cerebral em seções extremamente finas, fotografá-las com microscópios e juntar as vias manualmente. Embora as ferramentas mais recentes baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios ao mesmo tempo, elas geralmente mostram onde um neurônio se estende, em vez de identificar as células exatas com as quais ele se conecta na sinapse, disse Zhao.
Para superar esta limitação, a equipe de Zhao criou uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Ele atribui a cada neurônio um “código de barras” de RNA exclusivo. Proteínas especializadas transportam esses códigos de barras do corpo principal do neurônio até a sinapse, o ponto onde dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolam essas sinapses e usam sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras são encontrados juntos. Isto revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo aos cientistas mapear redes em grande escala.
Transformando a fiação cerebral em um problema de sequenciamento
“Traduzimos o problema de conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine um grande monte de balões. O corpo principal de cada balão tem adesivos de código de barras exclusivos por toda parte, e alguns se movem até o final da corda. Se dois balões são amarrados no final, os dois códigos de barras se encontram na junção”, disse Zhao. “Depois cortamos os nós e sequenciamos os códigos de barras em cada um. Se o mesmo nó tiver autocolantes do balão A e do balão B, sabemos que estes dois balões estão amarrados. Estamos a fazer isto no cérebro, apenas ao nível de milhares de células neuronais. Com esta informação, podemos reconstruir um mapa sofisticado que representa as ligações entre todos estes grupos aparentemente flutuantes.”
Descobrindo novas conexões de circuito cerebral
Usando o Connectome-seq, a equipe mapeou mais de 1.000 neurônios em um circuito cerebral de camundongo conhecido como circuito pontocerebelar, que liga duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade até então desconhecidos, incluindo ligações diretas entre tipos de células que não eram conhecidas por se conectarem no cérebro adulto.
“Com melhorias já em andamento em nosso laboratório, estamos confiantes de que podemos torná-lo ainda melhor e, eventualmente, atingir a meta de mapear todo o cérebro do rato”, disse Zhao.
Potencial para transformar a pesquisa sobre Alzheimer e doenças cerebrais
Por ser rápido e escalável, o Connectome-seq poderia acelerar significativamente a pesquisa em doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais em indivíduos saudáveis com aqueles em diferentes estágios da doença, os cientistas poderão identificar alterações precoces nos circuitos neurais.
“Com abordagens baseadas em sequenciamento, o tempo e o custo são bastante reduzidos, o que realmente torna possível ver diferenças em diferentes cérebros. Poderíamos ver onde as conexões mudam, onde estão as partes mais vulneráveis do cérebro, talvez antes mesmo de os sintomas aparecerem”, disse Zhao. “Por exemplo, se conseguirmos identificar exatamente onde está o elo mais fraco que dá início a toda a cascata catastrófica da doença de Alzheimer, poderemos fortalecer especificamente essas ligações para onde a doença abranda ou não progride?”
A pesquisa foi apoiada por uma bolsa da Iniciativa Neuro-ômica do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford, bem como financiamento da Fundação Elsa U. Pardee e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
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