Imagine um mapa com todas as estrelas da galáxia. O mapa é tão detalhado que mostra como cada estrela se parece, em que consiste, com a qual outra estrela está conectada pelas grandes leis da física do espaço. Embora ainda não tenhamos esse mapa astronômico dos céus, graças a um estudo monumental publicado na semana passada na Neuron, temos um mapa cerebral semelhante.
Se cada neurônio fosse uma galáxia, as sinapses são pequenas estruturas espalhadas em pontos ao longo dos neurônios serpentinos - essas são estrelas. Uma equipe de cientistas da Universidade de Edimburgo, no Reino Unido, construiu o primeiro mapa detalhado de cada sinapse no cérebro do rato.
Mapa do cérebro: a chave para o quebra-cabeça do pensamento
Usando ratos geneticamente modificados, os cientistas literalmente fizeram cada sinapse acender sob luz fluorescente por todo o cérebro, como estrelas no céu. E, assim como as estrelas diferem umas das outras, os cientistas descobriram que as sinapses são muito diversas, mas são observados padrões que podem apoiar a memória e o pensamento.
Mapas detalhados mostraram a lei fundamental da atividade cerebral. Usando o aprendizado de máquina, a equipe classificou cerca de um bilhão de sinapses em todo o cérebro em 37 tipos de sinapses. Aqui está o ponto: quando conjuntos de neurônios recebem informações elétricas, por exemplo, escolhendo entre diferentes soluções para um problema, os subtipos únicos de sinapses espalhadas entre diferentes neurônios brilham unanimemente com atividade.
Em outras palavras, as sinapses são de tipos diferentes. E cada tipo pode controlar um pensamento, decisão ou memória.
Vídeo promocional:
Sem surpresa, os neurocientistas reagiram de forma muito positiva ao trabalho.
"Uau", comentou Ben Sanders, da Universidade de Minnesota.
É "um artigo incrível que cataloga a diversidade e distribuição dos subtipos de sinapses no cérebro do camundongo", escreve o neurogeneticista Kevin Mitchell. Isso "ressalta o fato de que as sinapses são elementos-chave de computação do sistema nervoso".
Conecte o conectoma
O interesse dos cientistas em criar uma "sináptomo" - o primeiro catálogo completo de sinapses no cérebro de camundongos - resultou de um projeto muito maior: o conectoma.
Em suma, um conectoma são todas as conexões neurais dentro de você. Como diz o Dr. Sebastian Sjung, conectoma é a base biológica de quem você é - suas memórias, sua personalidade, seus pensamentos e raciocínio. Pegue um conectoma e um dia os cientistas serão capazes de reconstruí-lo emulando um cérebro inteiro.
E, no entanto, o conectoma apenas descreve como os neurônios se comunicam funcionalmente entre si. Onde no cérebro ele é fisicamente codificado.
É aqui que as sinapses entram em ação. Os neurocientistas sabem há muito tempo que as sinapses transmitem informações entre os neurônios usando produtos químicos e eletricidade. Também houve indícios de que as sinapses diferem muito dependendo das proteínas que contêm, mas essa distinção geralmente foi ignorada. Até recentemente, a maioria dos cientistas acreditava que cálculos reais ocorriam no corpo neural - a parte bulbosa do neurônio de onde emergem os ramos.
Até agora, não havia como examinar a morfologia e a função das sinapses em todo o cérebro, explicam os autores. Geralmente nos concentramos no mapeamento desses importantes pontos de conexão em pequenas áreas.
E se for assim, os futuros emuladores de cérebro finalmente encontrarão um ponto de apoio.
Mapa Synaptome
Para construir um sináptomo de mouse, os autores desenvolveram um plano chamado SYNMAP. Eles começaram com ratos geneticamente modificados, cujas sinapses brilhavam com cores diferentes. Cada sinapse é densamente embalada com proteínas diferentes, entre as quais PSD-95 e SAP102 são os cavalheiros mais famosos. Não se deixe intimidar pelos nomes. Os autores adicionaram proteínas brilhantes a eles, que agiram como lanternas, iluminando cada sinapse no cérebro.
Em geral, os cientistas primeiro alteraram a biologia do camundongo, fazendo com que suas sinapses brilhassem sob luz fluorescente.
Em seguida, eles cortaram meticulosamente o cérebro em pedaços, usaram um microscópio para tirar fotos de sinapses em diferentes regiões do cérebro e juntaram as fotos.
A imagem sináptica lembra o olho destreinado de um mapa estelar compactado - como o que Hubble filmou recentemente. A categorização de cada sinapse vai além da capacidade (e do tempo) de qualquer pessoa, então os cientistas usaram novos métodos de classificação usando aprendizado de máquina e desenvolveram um algoritmo que analisa esses dados - mais de 10 terabytes - automaticamente, sem a necessidade de supervisão.
Conectoma Físico
No início, os cientistas ficaram impressionados com os "esquemas expressivos" das sinapses brilhantes. Uma proteína rotulada - PSD-95 - parecia ficar nas partes mais distantes do cérebro, onde as funções cognitivas superiores acontecem. Embora as regiões se sobreponham, outra proteína brilhante preferiu mais as regiões internas do cérebro.
Após uma inspeção mais detalhada, descobriu-se que as duas proteínas brilhantes representam diferentes conjuntos de sinapses, explicaram os autores. Cada área do cérebro tem uma "assinatura sináptica" característica. Como as impressões digitais, que diferem em forma e tamanho, diferentes regiões do cérebro parecem conter sinapses que diferem na composição, tamanho e número de proteínas.
Usando um algoritmo de aprendizado de máquina especialmente projetado, os cientistas classificaram as sinapses em 37 subtipos. Notavelmente, as regiões do cérebro associadas com raciocínio superior e habilidades de pensamento também continham a população mais diversa de sinapses, enquanto as "regiões do cérebro reptiliano" eram mais uniformes no conteúdo sináptico.
Para ver se a diversidade de sinapses ajuda no processamento de informações, os cientistas usaram simulações de computador para mostrar como as sinapses respondem a circuitos elétricos normais no hipocampo, uma área do cérebro importante para o aprendizado e a memória. O hipocampo é uma das áreas que apresenta notável diversidade nos subtipos de sinapses.
É importante ressaltar que cada tipo de processamento de informações elétricas é transmitido a um mapa sináptico único - mude a entrada, o sináptomo mudará.
Isso sugere que o cérebro pode processar várias informações elétricas usando uma área do cérebro porque diferentes sinaptoses estão envolvidas.
Os cientistas encontraram resultados semelhantes quando registraram circuitos elétricos do cérebro de ratos tentando escolher entre três opções de recompensa. Vários sinaptomas foram disparados quando a escolha estava certa ou errada. Como um mapa do pensamento interior, as sinaptomas pintaram um quadro vívido do que o rato estava pensando ao fazer uma escolha.
Cada comportamento ativa um sinaptoma separado. Cada sinaptoma é um elenco único do processo de pensamento.
Reprogramação do sinaptoma
Como o código de computador, o sináptomo parece fundamentar um resultado computacional - uma decisão ou um pensamento. E se eu mudar este código?
As doenças psiquiátricas costumam ter causas genéticas que afetam as proteínas da sinapse. Usando ratos que apresentaram sintomas semelhantes à esquizofrenia ou autismo, os cientistas mapearam suas sinapses - e encontraram mudanças dramáticas em como os diferentes subtipos de sinapses no cérebro são estruturados e conectados.
Por exemplo, em resposta a circuitos elétricos normais no cérebro, alguns mapas sinápticos eram fracos, enquanto outros tornaram-se anormalmente fortes em ratos mutantes. As mutações podem alterar o sinaptoma e potencialmente levar a distúrbios psiquiátricos. Ou seja, algumas doenças psiquiátricas "reprogramam" o sinaptomo. Mapas sinápticos mais fortes ou simplesmente novos podem ser a razão pela qual pacientes esquizofrênicos experimentam delírios e alucinações.
Então você é seu sináptomo?
Talvez. A sua essência - memórias, pensamentos - parece estar impressa em como as diferentes sinapses são ativadas em resposta à entrada. Como uma impressão digital, o sinaptoma pode ser lido para decifrar o que você está pensando. No entanto, esta pesquisa é apenas o começo. Os neurocientistas ainda precisam analisar as conexões complexas entre as sinapses e você.
Ilya Khel
