Cientistas acabam de revelar o mapa mais completo do córtex do macaco até agora

Uma equipe internacional liderada por cientistas chineses acabou de construir o atlas mais completo do córtex do macaco até hoje. A camada mais externa do cérebro, o córtex, abriga muitas de nossas preciosas funções cognitivas: a capacidade de raciocinar, tomar decisões e se adaptar a ambientes em constante mudança.

Em comparação com outros animais, os primatas – incluindo os humanos – têm um córtex massivamente expandido. Os cientistas há muito pensam que essa peculiaridade evolutiva é o que dá ao nosso cérebro a capacidade de gerenciar cálculos complexos.

Mas como?

O segredo pode estar escondido nos muitos tipos de células do córtex e em como elas se organizam. Um tema-chave na biologia é “a estrutura determina a função”. Como construir um computador do zero, cada componente e seu posicionamento e fiação podem alterar o desempenho.

Catalogar a localização precisa de cada célula no córtex do macaco pode ajudar a decodificar – e talvez recriar digitalmente – as regras que fazem do córtex primata uma potência computacional.

O estudo, publicado in Célula, também aproveitou uma ferramenta relativamente nova para mapeamento cerebral. Chamado Estéreo-seq, a tecnologia extrai informações genéticas – o transcriptoma – de várias células ao mesmo tempo, adicionando uma nova camada de dados à posição de cada célula.

A equipe criou uma impressão digital molecular para cada célula registrando a atividade de cerca de 500 genes. Então, graças a uma grande dose de IA, eles categorizaram quase 1.5 milhão de células de 143 regiões em tipos distintos de células e mapearam sua localização no córtex.

O projeto já rendeu alguns insights. As células cerebrais tendem a agir em cliques. Alguns tipos preferem a companhia de certas outras células, sugerindo que formam redes neurais locais. Os neurônios que aumentam ou diminuem a atividade cerebral geral também têm pontos preferidos, com seus números mudando entre regiões corticais e profundidade.

Além disso, quando comparado a um atlas cerebral de camundongos, o novo mapa encontrou vários tipos de células específicas de primatas agrupadas em uma camada do córtex.

“A composição celular do cérebro e sua distribuição espacial são as questões básicas da ciência do cérebro, e sua importância é semelhante à sequência de bases do DNA descoberta pelo sequenciamento do genoma humano,” dito autor do estudo Dr. Chengyu Li na Academia Chinesa de Ciências. O córtex cerebral dos macacos é como o nosso, e este estudo oferece o mapa mais completo desse tipo.

Um bolo neural enigmático

O córtex é uma elaborada estrutura de seis camadas repleta de diferentes tipos de neurônios e outras células cerebrais.

Os neurônios geralmente são a estrela do show: essas células ativadas eletricamente se conectam a redes neurais para processar informações. Os dois tipos principais ajudam a equilibrar o nível geral de atividade do cérebro. As células glutamatérgicas são excitatórias, acelerando a computação do cérebro. As células GABAérgicas são inibitórias, diminuindo a atividade da rede.

Células não neurais completam o quadro. Alguns ajudam a proteger o cérebro de infecções. Outros suportam o metabolismo neural e limpam o lixo molecular. Eles não são personagens secundários: estudos recentes mostram que eles desempenham um papel crítico na formação de redes neurais no desenvolvimento inicial e na luta contra distúrbios neurodegenerativos como o mal de Alzheimer.

O novo estudo se concentrou principalmente nessas células cerebrais.

Cortar e Cortar

A equipe analisou cérebros de três macacos machos adultos. Com mais de seis bilhões de células, seus cérebros estão evolutivamente próximos aos nossos.

Para começar, a equipe cortou cuidadosamente o cérebro da frente para trás com vários cortes especializados. Um deles, mais ou menos da espessura de papel de impressora, foi usado para sequenciar o perfil genético de cada célula.

Outras fatias, adjacentes aos blocos mais grossos para manter a integridade espacial, eram ainda mais finas. A metade deles, a equipe adicionou um corante que brilha no escuro que se agarra às proteínas que pontilham a parte externa dos neurônios. Esta etapa facilita a identificação de localizações anatômicas distintas no córtex.

O segundo lote de fatias ultrafinas teve seus dados genéticos extraídos por meio da nova ferramenta Stereo-seq. Pense nesta etapa funcionando como uma câmera digital, mas em vez de capturar pixels, ela captura dados de expressão gênica de cada célula na forma de RNA mensageiro (mRNA). O “transcriptoma” resultante é um instantâneo de todos os genes ativos para qualquer célula a qualquer momento.

O objetivo aqui é criar uma imagem do transcriptoma de cada célula enquanto mantém as informações sobre a localização física de cada célula. Como um sensor de câmera, o processo começa com um chip de silício do tamanho aproximado de dois selos. O chip recém-projetado tem um campo de visão muito mais amplo do que as iterações anteriores – como um telefone no modo panorâmico – facilitando a varredura de regiões cerebrais maiores.

Pontilhadas em cada chip estão matrizes 2D de nanobolas de DNA para agarrar o mRNA. As membranas celulares foram coradas com corantes para ajudar a equipe a combinar uma impressão digital do transcriptoma com seu hospedeiro.

Usando vários algoritmos de IA, a equipe misturou todos esses conjuntos de dados no primeiro atlas tridimensional e unicelular do córtex de macacos. Cada tipo de célula é detalhado no mapa, juntamente com uma taxonomia de três níveis que ilustra como as células diferem no córtex.

Por exemplo, um tipo de neurônio excitatório nas camadas dois e três no córtex expressa um gene “regulador mestre” para sinalização de estresse no cérebro. Todas as três células principais do cérebro – glutamato, GABA e células não neuronais – se correlacionam com a hierarquia estrutural do córtex, com algumas mais abundantes em suas regiões e profundidades.

Um recurso para a evolução

O córtex expandiu-se tremendamente nos primatas e costuma ser visto como a sede da cognição superior. Em outra análise, a equipe comparou o mapa cerebral do macaco com mouse e humano atlas para desenterrar novos tipos de células específicas para primatas.

O teste identificou um grupo de células excitatórias na quarta camada do córtex primata que estão ausentes em camundongos. As células estavam altamente concentradas na frente do cérebro – uma área que suporta a cognição superior – com genes anteriormente ligados à linguagem, desenvolvimento cerebral e autismo.

A equipe disponibilizou o recurso gratuitamente para todos. Ele fornece uma cornucópia de dados para lidar com a velha questão de como a estrutura leva à inteligência – e quando, por que e como nosso cérebro gagueja em doenças neurológicas. O Dr. Xun Xu disse que os resultados também podem “promover avanços no campo da ciência do cérebro, como na inteligência inspirada no cérebro e nas interfaces cérebro-computador”.

Todo o conjunto de dados é de código aberto. Brinque com isso SUA PARTICIPAÇÃO FAZ A DIFERENÇA.

Crédito de imagem: Atlas de transcriptômica espacial de macacos / BGI

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/07/14/scientists-just-unveiled-the-most-complete-brain-map-of-the-monkey-cortex/