DECODIFICANDO COMO OS CIRCUITOS CEREBRAIS CONTROLAM O COMPORTAMENTO.

O cérebro do rato contém cerca de 80 milhões de neurônios, todos compactados em um espaço do tamanho de uma avelã. Essas células têm em uma grande variedade de formas e tamanhos, e suas conexões com um outro número em bilhões – pelo menos.

Dentro do córtex motor do cérebro do camundongo, um conjunto de neurônios (verde) envia projeções para o tálamo, e outro conjunto (magenta) se projeta para uma região do tronco cerebral chamada medula. Crédito: Projeto MouseLight, Campus de Pesquisa Janelia

O cérebro depende desse circuito para interpretar informações sobre o mundo, aprender com as experiências e controlar os movimentos. As células nervosas se misturam neste espaço apertado para formar uma rede intricada – tornando difícil para os cientistas entender quais células são responsáveis ​​por quais tarefas.

Agora, em dois artigos publicados na revista Nature, pesquisadores do Janelia Research Campus do Howard Hughes Medical Institute e do Allen Institute for Brain Science descobriram como dois tipos de células nervosas misturadas dividem o trabalho para planejar e iniciar movimentos. Ao integrar análises célula-a-célula das formas, atividade gênica e função dos neurônios, a equipe revelou quais células cerebrais são responsáveis ​​por esses trabalhos distintos, mas estreitamente relacionados.

A combinação de análises tão extensas representa um grande feito técnico, diz Karel Svoboda, líder do Grupo Janelia. É uma nova abordagem para entender a função cerebral, diz ele. O trabalho exigiu várias equipes de cientistas em vários institutos se unindo para resolver um único problema. Svoboda acredita que esse tipo de abordagem será necessário para ajudar os pesquisadores a resolver as questões mais complexas da neurociência.

“Um grande progresso na pesquisa do cérebro dependerá cada vez mais desses tipos de colaboração”, diz ele.

Mapeando novo território neural

Em todo o mundo, os pesquisadores encabeçaram esforços para construir mapas neurais abrangentes e descobrir verdades sobre o cérebro.

Os neurocientistas estão explorando as redes elaboradas do cérebro de vários ângulos diferentes, mapeando estruturas celulares, características moleculares e atividades neurais. Combinar essa informação díspar para obter insights sobre o funcionamento do cérebro continua sendo um grande desafio, diz Svoboda.

Na Janelia, um esforço de mapeamento de longo prazo envolve a anatomia neuronal. Os cientistas da equipe do projeto MouseLight têm determinado a estrutura precisa dos neurônios no cérebro do rato – um empreendimento enorme que envolve traçar meticulosamente os caminhos tortuosos dos neurônios individuais através de milhares de imagens do cérebro. Esforços complementares no Instituto Allen estão mapeando a expressão gênica das células, revelando semelhanças e diferenças importantes entre as células e oferecendo sugestões para a função celular.

No novo trabalho, os cientistas de Janelia, Mike Economo, Sarada Viswanathan, Loren Looger e Svoboda, juntaram-se aos cientistas do Allen Institute para criar perfis completos de expressão gênica de células dentro do neocórtex do camundongo. O neocórtex é a maior parte do cérebro dos mamíferos responsável por funções cognitivas superiores. A equipe se concentrou no córtex motor lateral anterior (CMLA), uma área envolvida no planejamento e execução de movimentos.

Os grupos Janelia e Allen Institute colaboram há anos, diz Svoboda. Seu laboratório trabalhou para descrever como os neurônios do CMLA codificam informações e controlam movimentos, e os cientistas do Allen Institute usaram a nova tecnologia de sequenciamento de RNA unicelular para analisar a composição molecular de neurônios ALM individuais.

Bosiljka Tasic, Hongkui Zeng e colegas do Instituto Allen determinaram o conjunto completo de moléculas de RNA – o transcriptoma – presente em cada um dos 23.822 neurônios do neocórtex. Isso gerou uma imagem completa de quais genes foram ativados em cada célula – cerca de 9.000 genes por célula, em média. Dentro do vasto conjunto de dados, os pesquisadores identificaram mais de 130 grupos de células que compartilhavam os transcriptomas.

Definição de papel

Em seguida, a equipe correlacionou suas descobertas moleculares com informações estruturais obtidas através do projeto Mouselight da Janelia.

Os cientistas se concentraram em grandes neurônios no CMLA que levam informações longe do córtex. Dentro desse subconjunto de neurônios, dois grupos de células definidos por seus transcriptomas também compartilhavam características anatômicas. A equipe descobriu que seus caminhos para outras partes do cérebro são distintos. Um conjunto se conecta ao tronco cerebral, onde os neurônios motores que dirigem o corpo para realizar as ações residem. O segundo conjunto se conecta com o tálamo, uma espécie de central telefônica no cérebro.

Coletivamente, essas células já receberam atenção dos neurocientistas porque são particularmente vulneráveis ​​a doenças neurodegenerativas. “Mas realmente não foi apreciado que esses neurônios vêm em sabores distintos e podem desempenhar papéis diferentes”, diz Economo, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Svoboda.

Para separar esses papéis, a Economo direcionou cada classe de células individualmente, manipulando e medindo a atividade enquanto os ratos realizavam uma tarefa simples – movendo-se em uma determinada direção em um determinado momento. Um grupo de neurônios, aqueles que conectam o CMLA ao tálamo, são cruciais para planejar movimentos futuros, revelaram os experimentos. O outro conjunto de neurônios, aqueles que conectam o CMLA ao tronco cerebral, são necessários para iniciar o movimento. Simplificando, os dois tipos de neurônios se dividem em duas classes e têm comportamentos distintos, diz Svoboda. “Esses tipos de células transportam mensagens diferentes para diferentes regiões do cérebro para produzir funções diferentes”.

Reunindo vários fluxos de dados, diz ele, a equipe conseguiu esclarecer uma questão complexa de circuito.

“Os cientistas podem sempre encontrar maneiras de dividir as células em grupos”, acrescenta Tasic, mas neste caso, os grupos oferecem uma imagem clara do papel de cada tipo de célula na formação do movimento. É um passo fundamental para separar a complexidade do córtex.

Com as funções de mais de 100 tipos de células definidas molecularmente no córtex visual e apenas o CMLA ainda a ser explorado, os cientistas têm muita complexidade para desvendar, diz Svoboda.

Mas, acrescenta, com novas ferramentas de pesquisa em desenvolvimento e aceleração dos esforços de mapeamento em larga escala, esse tipo de decodificação neural poderá em breve estar aumentando.

Jornal Referência: Bosiljka Tasic, Zizhen Yao, Lucas T. Graybuck, Kimberly A. Smith, Thuc Nghi Nguyen, Darren Bertagnolli, Jeff Goldy, Emma Garren, Michael N. Economo, Sarada Viswanathan, Osnat Penn, Trygve Bakken, Vilas Menon, Jeremy Miller, Olivia Fong, Karla E. Hirokawa, Kanan Lathia, Christine Rimorin, Michael Tieu, Rachael Larsen, Tamara Casper, Eliza Barkan, Matthew Kroll, Sheana Parry, Nadiya V. Shapovalova, Daniel Hirschstein, Julie Pendergraft, Heather A. Sullivan, Tae Kyung Kim, Aaron Szafer, Nick Dee, Peter Groblewski, Ian Wickersham, Ali Cetin, Julie A. Harris, Boaz P. Levi, Susan M. Sunkin, Linda Madisen, Tanya L. Daigle, Loren Looger, Amy Bernard, John Phillips, Ed Lein, Michael Hawrylycz, Karel Svoboda, Allan R. Jones, Christof Koch, Hongkui Zeng. Shared and distinct transcriptomic cell types across neocortical areasNature, 2018; 563 (7729): 72 DOI: 10.1038/s41586-018-0654-5

Fonte: Science Daily

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