Cientistas mapeiam a fiação escondida do cérebro usando códigos de barras de RNA em grande avanço

Esse método pode aprofundar a compreensão de como redes complexas do cérebro estão organizadas e como funcionam. Também 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, você precisa entender o circuito 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 do desenvolvimento na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que liderou o estudo.

“Nossa tecnologia permite o mapeamento simultâneo de milhares de conexões neurais com resolução de sinapse única – uma capacidade que não existe em nenhuma tecnologia atual. É diretamente aplicável para entender a disfunção de circuitos em doenças neurodegenerativas e pode fornecer uma plataforma para o desenvolvimento de intervenções terapêuticas guiadas por circuitos,” acrescentou.

Os resultados foram publicados na revista Nature Methods.

Uma Maneira Mais Rápida e Detalhada de Mapear o Cérebro

Mapear o cérebro tem sido tradicionalmente lento e difícil. Os cientistas frequentemente precisavam cortar o tecido cerebral em seções extremamente finas, imagená-las com microscópios e montar manualmente as vias. Embora ferramentas mais novas baseadas em sequenciamento possam rotular muitos neurônios de uma só vez, geralmente mostram onde um neurônio se estende, em vez de identificar as células exatas com as quais se conecta na sinapse, afirmou 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 de barras do corpo principal do neurônio até a sinapse, o ponto onde dois neurônios se encontram.

Os pesquisadores então isolam essas sinapses e usam sequenciamento de alta capacidade 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 a Conexão Cerebral em um Problema de Sequenciamento

“Nós traduzimos o problema da conectividade neural em um problema de sequenciamento. Imagine um grande monte de balões. O corpo principal de cada balão possui adesivos de código de barras únicos, e alguns se movem para o final da corda. Se dois balões estão amarrados juntos no final, os dois códigos de barras se encontram na junção,” explicou Zhao. “Então, cortamos os nós e sequenciamos os códigos de barras em cada um deles. Se o mesmo nó tem adesivos do balão A e do balão B, sabemos que esses dois balões estão amarrados juntos. Estamos fazendo isso no cérebro, apenas no nível de milhares de células neuronais. Com essas informações, podemos reconstruir um mapa sofisticado que representa as conexões entre todos esses grupos aparentemente flutuantes.”

Descobrindo Novas Conexões de Circuitos Cerebrais

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 previamente desconhecidos, incluindo ligações diretas entre tipos celulares que não se sabia estarem conectados no cérebro adulto.

“Com melhorias já em andamento em nosso laboratório, confiamos que podemos torná-lo ainda melhor e, eventualmente, alcançar o objetivo de mapear todo o cérebro de camundongos,” disse Zhao.

Potencial para Transformar a Pesquisa sobre Alzheimer e Doenças Cerebrais

Por ser rápido e escalável, o Connectome-seq pode acelerar significativamente a pesquisa sobre doenças neurodegenerativas, condições psiquiátricas e outros distúrbios cerebrais. Ao comparar as conexões cerebrais de indivíduos saudáveis com aqueles em diferentes estágios da doença, os cientistas podem ser capazes de identificar mudanças precoces nos circuitos neurais.

“Com abordagens baseadas em sequenciamento, o tempo e o custo são significativamente reduzidos, o que realmente torna possível observar diferenças em diferentes cérebros. Poderíamos ver onde as conexões mudam, onde estão as partes mais vulneráveis do cérebro, talvez antes que os sintomas apareçam,” disse Zhao. “Por exemplo, se pudermos identificar exatamente qual é o elo fraco que inicia toda a cascata catastrófica na doença de Alzheimer, conseguimos fortalecer especificamente essas conexões para que a doença desacelere ou não progresse.”

A pesquisa foi apoiada por 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.