Cientistas mapeiam a fiação oculta do cérebro usando códigos de barras de RNA em uma grande descoberta
Cientistas desenvolveram uma nova e poderosa técnica para mapear as conexões entre células cerebrais, utilizando “códigos de barras” moleculares para marcar os neurônios. Com essa abordagem, eles conseguiram registrar milhares de conexões neurais no cérebro de camundongos com impressionante velocidade e precisão.
Esse método pode aprofundar a compreensão sobre como as redes complexas do cérebro estão organizadas e funcionam. Além disso, pode lançar luz sobre o que dá errado em distúrbios neurológicos e como doenças como o Alzheimer se desenvolvem ao longo do tempo.
“Ao projetar um computador, é necessário compreender a circuitaria da unidade central de processamento. Se você não souber como tudo está conectado, não conseguirá entender sua função, otimizá-lo ou consertá-lo quando algo falhar. Estamos abordando o cérebro da mesma maneira,” disse Boxuan Zhao, professor de biologia celular e desenvolvimento na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
“Nossa tecnologia permite mapear simultaneamente milhares de conexões neurais com resolução de sinapse única — uma capacidade que não está disponível em nenhuma tecnologia atual. É diretamente aplicável para entender a disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para desenvolver intervenções terapêuticas guiadas por circuitos,” acrescentou.
Os resultados foram publicados na revista Nature Methods.
Uma Abordagem Mais Rápida e Detalhada Para Mapear o Cérebro
Mapear o cérebro sempre foi um processo lento e complicado. Os cientistas geralmente precisavam cortar o tecido cerebral em seções extremamente finas, imageá-las com microscópios e montar manualmente os caminhos. Embora ferramentas mais modernas baseadas em sequenciamento consigam rotular muitos neurônios simultaneamente, geralmente mostram apenas onde um neurônio se estende, sem identificar as células exatas com as quais se conecta na sinapse, comentou Zhao.
Para superar essa limitação, a equipe de Zhao criou uma nova plataforma chamada Connectome-seq. Ela atribui a cada neurônio um “código de barras” de RNA exclusivo. Proteínas especializadas transportam esses códigos da parte principal do neurônio até a sinapse, o ponto em que dois neurônios se encontram.
Os pesquisadores então isolam essas sinapses e utilizam sequenciamento de alto rendimento para ler quais pares de códigos de barras são encontrados juntos. Isso revela quais neurônios estão diretamente conectados, permitindo que os cientistas mapeiem redes em grande escala.
Transformando as Conexões Cerebrais em um Problema de Sequenciamento
“Traduzimos o problema da conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine um grande grupo de balões. O corpo principal de cada balão possui adesivos de códigos de barras únicos espalhados por toda a parte, e alguns se movem em direção à ponta da corda. Se dois balões estiverem amarrados na ponta, os dois códigos de barras se encontram na junção,” disse Zhao. “Então, cortamos os nós e sequenciamos os códigos de barras de cada um. Se o mesmo nó tem adesivos do balão A e do balão B, sabemos que esses dois balões estão amarrados. Estamos fazendo isso no cérebro, apenas em uma escala que envolve milhares de células neurais. Com essas informações, podemos reconstruir um mapa sofisticado que representa as conexões entre todos esses 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 conhecido como circuito pontocerebelar, que conecta duas regiões do cérebro. A análise revelou padrões de conectividade até então desconhecidos, incluindo ligações diretas entre tipos de células que não se sabia conectarem no cérebro adulto.
“Com melhorias já em andamento em nosso laboratório, estamos confiantes de que podemos torná-la ainda melhor e, eventualmente, alcançar o objetivo de mapear todo o cérebro do camundongo,” disse Zhao.
Potencial Para Transformar Pesquisas sobre Alzheimer e Doenças Cerebrais
Por ser rápida e escalável, a Connectome-seq poderia acelerar significativamente a pesquisa sobre doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais em indivíduos saudáveis com aquelas em diferentes estágios de doenças, os cientistas poderão identificar alterações precoces nos circuitos neurais.
“Com abordagens baseadas em sequenciamento, o tempo e custo são drasticamente reduzidos, o que realmente torna possível observar diferenças entre diferentes cérebros. Poderíamos identificar onde as conexões mudam, onde as partes mais vulneráveis do cérebro estão, possivelmente antes mesmo de os sintomas aparecerem,” afirmou Zhao. “Por exemplo, se conseguirmos detectar exatamente onde está o elo fraco que inicia toda a cascata catastrófica na doença de Alzheimer, poderíamos fortalecer especificamente essas conexões para que a doença desacelere ou não progrida.”
A pesquisa recebeu apoio de uma concessão da Iniciativa Neuro-ômica do Instituto de Neurociências Wu Tsai da Universidade de Stanford, além de financiamento da Fundação Elsa U. Pardee e da Fundação Edward Mallinckrodt Jr.
