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Cientistas revelam diagrama de conexões cerebrais com 200.000 células e meio bilhão de conexões

Reprodução, Universidade de Princeton

Fonte

Universidade de Princeton

Data

quarta-feira, 11 agosto 2021 06:20

Áreas

Bioinformática. Neurociências.

Neurocientistas e cientistas da computação da Universidade de Princeton, do Instituto Allen e do Baylor College of Medicine, nos Estados Unidos, acabam de lançar uma coleção de dados que combina um diagrama 3D com a função de dezenas de milhares de neurônios para criar a apresentação mais detalhada dos circuitos cerebrais de mamíferos disponível até o momento.

“Nossa missão de cinco anos tem sido verdadeiramente árdua, com uma meta ambiciosa que muitos consideram inatingível”, disse o Dr. H. Sebastian Seung, professor de Neurociência e Ciência da Computação da Universidade de Princeton e um dos principais cientistas do programa Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS). “No primeiro ano, um membro do laboratório argumentou comigo que mesmo o piloto da Fase 1 seria impossível. Avançando até hoje, estamos lançando um milímetro cúbico de córtex de um camundongo reconstruído, que é 1000 vezes maior do que o alvo da Fase 1”.

O conjunto de dados, que agora está disponível publicamente para qualquer pessoa navegar e usar, mapeia as estruturas finas e a conectividade de 200.000 células cerebrais e cerca de 500 milhões de sinapses, todas contidas em um pedaço de um milímetro cúbico do cérebro de camundongo relativo ao neocórtex visual, a parte do cérebro dos mamíferos que processa o que os olhos veem.

Assista ao vídeo que mostra a visualização dos dados:

Fonte: Universidade de Princeton

Esse projeto gigantesco levou cinco anos para ser concluído e foi financiado pela Intelligence Advanced Research Projects Activity. O objetivo do financiamento da pesquisa era extrair informações de conexões cerebrais para melhorar o aprendizado de máquina. Mas o conjunto de dados também é valioso para o campo da neurociência – tanto para cientistas que buscam entender como o cérebro transmite informações ao longo de circuitos definidos, quanto para pesquisadores biomédicos que desejam tratar distúrbios cerebrais onde a ‘fiação’ ou as conexões são alteradas.

“Basicamente, estamos tratando um circuito cerebral como um computador e fizemos três perguntas: O que ele faz? Como está conectado? Qual é o programa? ” disse o Dr. Clay Reid, pesquisador sênior do Instituto Allen e um dos principais cientistas do MICrONS. “Os experimentos foram feitos para literalmente ver a atividade dos neurônios, para observá-los computar. As reconstruções que estamos apresentando hoje nos permitem ver os elementos do circuito neural: as células cerebrais e a fiação, com a capacidade de seguir os fios para mapear as conexões entre as células. A etapa final é interpretar essa rede, ponto em que podemos dizer que podemos ler o programa do cérebro”, explicou o pesquisador.

O conjunto de dados se junta a outros diagramas lançados recentemente de cérebros humanos e de mosca-das-frutas capturados usando a mesma tecnologia: microscopia eletrônica. Este método revela detalhes incríveis de toda uma paisagem microscópica – neste caso, a topografia densamente compactada de neurônios, astrócitos, vasos sanguíneos e outras células que compõem a matéria física do cérebro, bem como todos os minúsculos componentes internos de cada célula.

Os dados do programa MICrONS recém-lançados contém mais células e conexões do que qualquer conjunto de dados até o momento, com dados suficientes para capturar circuitos locais inteiros e formas 3D quase completas de neurônios de camundongos individuais. Alguns neurônios fazem conexões a distâncias incrivelmente longas, enviando seus axônios por todo o cérebro, e essas conexões de longa distância não estão totalmente representadas neste conjunto de dados. Mas o volume do milímetro cúbico foi escolhido para capturar circuitos em várias áreas do cérebro envolvidas na visão, enquanto também captura a estrutura do maior número possível de neurônios inteiros.

Antes que os dados estruturais fossem coletados, a equipe de pesquisa do Baylor College of Medicine capturou a atividade dos neurônios nesta parte do cérebro enquanto o camundongo visualizava imagens ou filmes de cenas naturais. “O neocórtex contém bilhões de neurônios que se comunicam por meio de trilhões de conexões que dotaram os mamíferos de capacidades surpreendentes. Uma questão chave para desvendar essa complexidade desconcertante é descobrir as relações entre as regras de fiação e as propriedades funcionais dos neurônios ”, disse Andreas Tolias, professor de Neurociência e diretor do Centro de Neurociência e Inteligência Artificial do Baylor College of Medicine e um dos principais cientistas da MICrONS. “Este programa é único, pois nos permitiu montar uma equipe interdisciplinar para realizar uma experiência muito ambiciosa, que nos permitirá responder a esta pergunta.”

Após estes experimentos no Baylor College, os pesquisadores do Instituto Allen preservaram e fatiaram o pedaço do cérebro em mais de 27.000 fatias, cada uma com apenas 40 nanômetros de espessura, capturando um total de 150 milhões de imagens dessas fatias usando microscópios eletrônicos customizados. O processo de corte funcionou 24 horas por dia por 12 dias, durante os quais equipes de biólogos, engenheiros e desenvolvedores de software ficaram ativos em turnos, prontos para parar e reiniciar o instrumento a qualquer momento se o corte desse errado.

Em seguida, a equipe de Princeton usou o aprendizado profundo para “segmentar” as imagens, definindo cada célula e seus componentes internos individualmente. Uma equipe de engenheiros de software, alunos e pós-doutorandos em Princeton usou redes convolucionais, meticulosamente treinadas ao longo de meses, para alinhar as imagens da seção serial em uma pilha de imagens 3D, detectar limites neuronais e identificar parceiros sinápticos. Cada etapa foi distribuída por supercomputadores funcionando seguidamente durante dias.

O resultado: belas e intrincadas renderizações digitais de 200.000 células cerebrais e as conexões entre elas, muitas das quais que nunca haviam sido capturadas em sua forma completa antes.

“Eu me sinto privilegiado por ter trabalhado com uma equipe tão incrível em Princeton, e nossos excelentes parceiros no Baylor College of Medicine e no Instituto Allen. Fomos recompensados ​​por novas vistas do córtex de tirar o fôlego. À medida que fazemos a transição para uma nova fase de descoberta, estamos colocando nossas energias na construção de uma comunidade de pesquisadores que usará os dados de muitas maneiras, a maioria das quais não podemos prever. Apenas os esforços coletivos de uma comunidade podem realizar o potencial do recurso para permitir novas descobertas sobre o cérebro.”, concluiu o Dr. Sebastian Seung.

Os dados coletados são públicos e estão hospedados online pelo Brain Observatory Storage Service & Database, e a Amazon Web Services está tornando os dados acessíveis gratuitamente na nuvem por meio de seu Programa de Patrocínio de Dados Abertos. O Google contribuiu com armazenamento e suporte de mecanismo de computação por meio do Google Cloud e uma ferramenta de visualização de código aberto Neuroglancer por meio do Google Research.

Acesse a página do programa MICrONS (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Princeton (em inglês).

Fonte: Universidade de Princeton e Instituto Allen. Imagem: Reprodução, Universidade de Princeton.

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