A conectômica, o ambicioso campo de estudo que busca mapear as abrangentes conexões dentro do sistema nervoso de um organismo, está passando por um surto de crescimento. No espaço de uma década, passou das suas fases iniciais para uma disciplina que está preparada para (esperançosamente) desvendar os enigmas da cognição e a base física de neuropatologias como a doença de Alzheimer.
Na sua vanguarda está o uso de poderosos microscópios eletrônicos, que pesquisadores do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial do MIT (CSAIL) e dos Laboratórios Samuel e Lichtman da Universidade de Harvard conferiram a habilidade analítica do aprendizado de máquina (forma de inteligência artificial). Ao contrário da microscopia eletrônica tradicional, a IA integrada serve como um “cérebro” que aprende um espécime enquanto adquire as imagens e foca de forma inteligente nos pixels relevantes em resolução em nanoescala, semelhante à forma como os animais inspecionam seus mundos.
“SmartEM” auxilia a conectômica a examinar e reconstruir rapidamente a complexa rede de sinapses e neurônios do cérebro com precisão nanométrica. Ao contrário da microscopia eletrônica tradicional, sua IA integrada abre novas portas para a compreensão da intrincada arquitetura do cérebro.
A integração de hardware e software no processo é crucial. A equipe incorporou uma GPU no computador de suporte conectado ao microscópio. Isso permitiu a execução de modelos de aprendizado de máquina nas imagens, ajudando o feixe do microscópio a ser direcionado para áreas consideradas interessantes. “Isso permite que o microscópio permaneça mais tempo em áreas que são mais difíceis de entender até capturar o que precisa”, diz o professor do MIT e investigador principal do CSAIL, Nir Shavit. “Esta etapa ajuda a espelhar o controle do olho humano, permitindo uma rápida compreensão das imagens.”
“Quando olhamos para um rosto humano, nossos olhos navegam rapidamente para os pontos focais que fornecem pistas vitais para uma comunicação e compreensão eficazes”, diz o arquiteto-chefe do SmartEM, Yaron Meirovitch, cientista visitante do MIT CSAIL que também é ex-pós-doutorado e atual neurocientista associado de pesquisa em Harvard. “Quando mergulhamos num livro, não digitalizamos todo o espaço vazio; em vez disso, direcionamos nosso olhar para as palavras e caracteres com ambiguidade em relação às nossas expectativas de frase. Este fenômeno dentro do sistema visual humano abriu o caminho para o nascimento do novo conceito de microscópio.”
Para a tarefa de reconstruir um segmento do cérebro humano de cerca de 100.000 neurônios, conseguir isso com um microscópio convencional exigiria uma década de imagens contínuas e um orçamento proibitivo. No entanto, com o SmartEM, ao investir em quatro destes microscópios inovadores por menos de 1 milhão de dólares cada, a tarefa poderia ser concluída em apenas três meses.
Prêmio Nobel e pequenos vermes
Há mais de um século, o neurocientista espanhol Santiago Ramón y Cajal foi considerado o primeiro a caracterizar a estrutura do sistema nervoso. Empregando os microscópios ópticos rudimentares do seu tempo, ele embarcou na liderança de explorações na neurociência, estabelecendo a compreensão fundamental dos neurónios e esboçando os contornos iniciais deste reino expansivo e desconhecido – um feito que lhe valeu um Prémio Nobel. Ele observou, sobre os temas de inspiração e descoberta, que “Enquanto nosso cérebro for um mistério, o universo, o reflexo da estrutura do cérebro também será”.
Progredindo desde estas fases iniciais, o campo avançou dramaticamente, evidenciado pelos esforços na década de 1980, mapeando o conectoma relativamente mais simples de C. elegans, pequenos vermes, até aos esforços atuais de investigação de cérebros mais intrincados de organismos como peixes-zebra e ratos. Esta evolução reflete não apenas enormes avanços, mas também crescentes complexidades e exigências: mapear o cérebro do rato por si só significa gerir impressionantes milhares de petabytes de dados, uma tarefa que eclipsa enormemente as capacidades de armazenamento de qualquer universidade, diz a equipe.
Testando as águas
Para seu próprio trabalho, Meirovitch e outros membros da equipe de pesquisa estudaram fatias de tecido de polvo com 30 nanômetros de espessura que foram montadas em fitas, colocadas em wafers e finalmente inseridas em microscópios eletrônicos. Cada seção do cérebro, composta por bilhões de pixels, foi fotografada, permitindo que os cientistas reconstruíssem as fatias em um cubo tridimensional com resolução nanométrica. Isso forneceu uma visão ultradetalhada das sinapses. O objetivo principal? Para colorir essas imagens, identificar cada neurônio e compreender suas inter-relações, criando assim um mapa detalhado ou “conectoma” dos circuitos cerebrais.
“O SmartEM reduzirá o tempo de geração de imagens desses projetos de duas semanas para 1,5 dias”, diz Meirovitch. “Os laboratórios de neurociência que atualmente não podem se envolver com imagens EM longas e caras serão capazes de fazê-lo agora”. O método também deve permitir a análise de circuitos em nível de sinapse em amostras de pacientes com distúrbios psiquiátricos e neurológicos.
No futuro, a equipe prevê que a conectômica será acessível e acessível. Eles esperam que, com ferramentas como o SmartEM, um espectro mais amplo de instituições de pesquisa possa contribuir para a neurociência sem depender de grandes parcerias, e que o método se torne em breve um canal padrão nos casos em que estiverem disponíveis biópsias de pacientes vivos. Além disso, eles estão ansiosos para aplicar a tecnologia para compreender patologias, estendendo a utilidade além da conectômica. “Estamos agora nos esforçando para apresentar isso aos hospitais para grandes biópsias, utilizando microscópios eletrônicos, com o objetivo de tornar os estudos patológicos mais eficientes”, diz Shavit.