Os pesquisadores dizem que realizaram um feito que era impossível há 46 anos: mapeando as células em um centímetro cúbico de tecido cerebral e rastreando sua atividade.
A conquista, documentada hoje em um conjunto de trabalhos de pesquisa publicados pela Família dos Jornais da Nature, está sendo comparada aos tiros da Apollo Moon que foram lançados há mais de 50 anos e com os rascunhos do genoma humano que foram lançados há mais de 20 anos.
Cientistas do Allen Institute de Seattle desempenharam um papel fundamental no esforço de US $ 100 milhões conhecido como Inteligência de Máquina do Programa de Redes Corticais, ou Microns. Mais de 150 pesquisadores trabalharam juntos por meio de Microns para criar um mapa 3D detalhado de um centímetro cúbico retirado do cérebro de um camundongo – e descobrir como as 200.000 células cerebrais em uma mapa do tamanho de um grão grosso de areia trabalham juntos.
“Foi realmente um dos sagrados Graals do campo desde o início”, disse Clay Reid, um investigador sênior do Instituto Allen, ao Geekwire. “Existem muitos milhares de neurocientistas que estudam o córtex cerebral, e praticamente todo mundo que estuda o córtex cerebral gostaria de saber quais são as fontes de entradas para qualquer célula dentro do córtex e quais são os resultados dessa célula. Isso é o que esse conjunto completo permite estudar”.
A história de origem para este Santo Graal em particular remonta a 1979, quando Francis Crick, co-descoberta da estrutura de hélice dupla do DNA, refletiu sobre a promessa de neurociência-e sobre as limitações do campo. “Não adianta pedir o impossível, como, digamos, o diagrama exato de fiação para um milímetro cúbico de tecido cerebral e a maneira como todos os seus neurônios estão disparando”, escreveu Crick na Scientific American.
Esse desafio fez um acorde com Reid, que era estudante universitário na época. Ele se propôs a provar que Crick estava errado e conseguiu. “Esse é exatamente o experimento que acabamos de terminar”, disse Reid.
Os primeiros passos do projeto foram realizados no Baylor College of Medicine, no Texas, onde os cientistas usaram microscópios especializados para registrar a atividade cerebral do córtex visual de um milímetro cúbico de um mouse enquanto o animal assistia a filmes e clipes do YouTube. Esse pedaço de tecido foi enviado ao Instituto Allen, onde foi cortado em mais de 25.000 camadas finas. Cerca de 95 milhões de imagens de alta resolução das fatias de tecido foram registradas usando uma variedade de microscópios eletrônicos. Finalmente, pesquisadores da Universidade de Princeton usaram ferramentas de inteligência artificial para transformar as imagens em uma reconstrução 3D da amostra de tecido em uma base célula por célula.
O diagrama de fiação e seus arquivos de suporte representam 1,6 Petabytes em dados. O mapa traça mais de 4 quilômetros (4 quilômetros) de axônios emaranhados, as fibras que servem como a “fiação” das células cerebrais. Ele identifica 523 milhões de sinapses, que são os pontos de conexão entre as células. Tão importante quanto o mapa fornece um guia para os padrões de atividade registrados pela equipe de Baylor.
Ao longo dos anos, os pesquisadores da Micron forneceram relatórios de progresso sobre o projeto, mas os estudos publicados hoje em Nature e seus diários irmãs servem para resumir seu trabalho. Os artigos apresentam achados sobre a estrutura do córtex visual, a variedade de células encontradas na amostra e como essas células funcionam.
Um dos achados mais significativos tem a ver com a forma como as células inibitórias controlam a atividade de outras células em um circuito neural. “Eles certamente não são interruptores on-off para todo o circuito”, disse Reid. “Diferentes tipos de neurônios inibitórios inibem elementos diferentes dentro do circuito. São interruptores, mas eles são conectados com muito cuidado. Eles não ligam e desligam todas as luzes do edifício.”
Nos próximos anos, os neurocientistas poderiam usar o conjunto de dados microns disponíveis gratuitamente para ajustar seus modelos de estrutura e função cerebral. Também pode ser possível rastrear as causas e possíveis tratamentos para condições neurológicas que variam da doença de Alzheimer e Parkinson à esquizofrenia e autismo.
“Se você tem um rádio quebrado e o diagrama do circuito, estará em uma posição melhor para consertá -lo”, disse o membro da equipe da Microns, Nuno Da Costa, um investigador associado do Allen Institute, em comunicado à imprensa. “Estamos descrevendo um tipo de mapa do Google ou plano desse grão de areia. No futuro, podemos usar isso para comparar a fiação cerebral em um mouse saudável com a fiação cerebral em um modelo de doença”.
O conjunto de dados também pode apontar o caminho para as inovações na inteligência artificial – talvez incluindo uma nova geração de computadores neuromórficos que processariam os dados da maneira como os cérebros biológicos o fazem.
Reid apontou que a Microns foi financiada pelo governo federal por meio da iniciativa cerebral e da atividade de projetos de pesquisa avançada da inteligência, ou IARPA, em parte para procurar novas estratégias para a IA. “O objetivo disso foi: por que não usamos a caracterização mais completa e detalhada de um circuito cortical, talvez como inspiração para novas arquiteturas para o aprendizado de máquina?” Ele disse.
David Markowitz, ex -gerente do programa da IARPA que coordenou o programa Microns, caracterizou o financiamento como um “investimento em lua”. Ele disse que os trabalhos de pesquisa publicaram hoje Mark “Um momento de bacia hidrográfica para a neurociência, comparável ao projeto do genoma humano em seu potencial transformador”.
Como foi o caso do projeto do genoma humano, levará anos para que o conjunto de dados Microns se estabeleça em sua forma final. “Sim, temos a morfologia para todos os neurônios”, disse Reid. “Sim, o aprendizado de máquina localizou e identificou todas as sinapses. Mas a etapa final de que os seres humanos verifiquem todas as conexões nesse diagrama de fiação não foram feitas. … Para chegar lá, precisaremos de avanços no aprendizado de máquina.”
Os Institutos Nacionais de Saúde já estão olhando para as futuras fronteiras no mapeamento cerebral com um programa chamado Brain Connects. (Essa é uma sigla torturada que significa conectividade da iniciativa cerebral entre as escalas.) Dois dos objetivos desse programa são gerar um diagrama de fiação detalhado para o cérebro completo do rato e mapear conexões de longa distância entre diferentes áreas do cérebro humano.
Então, que tal mapear todo o cérebro humano? “Devido ao tamanho do cérebro humano, é inimaginável, e eu diria impossível em qualquer futuro razoável, mapear todo o cérebro humano no nível que um fez para esse milímetro cúbico para o projeto Microns”, disse Reid.
Quando ele foi lembrado de que Francis Crick disse a mesma coisa sobre mapear o milímetro cúbico em 1979, Reid expandiu suas observações.
“Crick nunca estabeleceu uma data de validade para seu pronunciamento”, disse ele. “É possível que possamos fazer isso pelo cérebro humano, mas, a partir desse ponto de vista, ainda é inimaginável. Muita coisa pode acontecer em 46 anos. Certamente muito aconteceu nos 46 anos desde que Crick disse que algo era impossível”.
A natureza criou uma página de destino para trabalhos de pesquisa relacionados ao projeto Microns. Outros artigos estão sendo publicados na Nature Communications e Nature Neuroscience. O consórcio Microns inclui cientistas e pesquisadores do Allen Institute, Baylor College of Medicine, Princeton e muitas outras instituições. O Instituto Allen criou uma apresentação multimídia que traça a história do projeto.
Fonte ==> GeekWire
