Conectômica: o cérebro sob investigação

A atividade cerebral pode ser examinada por diversas técnicas, todas elas complexas, já que envolvem a análise coletiva de várias partes do cérebro. Uma investigação reducionista, em que apenas uma parte do cérebro é avaliada, tem pouca relevância na compreensão desse órgão. A análise coletiva exige uma abordagem interdisciplinar, na qual são examinadas propriedades cerebrais emergentes que não podem ser explicadas por apenas uma das ciências da natureza – biologia, física ou química.

Acredita-se que grandes descobertas na neurociência advirão desse esforço interdisciplinar. Por isso, surpreende a resistência de muitos educadores de nossas universidades à introdução de abordagens pedagógicas interdisciplinares nos cursos de formação de profissionais das ciências da natureza.

Assim como o trabalho colaborativo de físicos e químicos resultou no advento da microeletrônica, em meados do século passado, a atual colaboração entre biólogos, físicos e químicos está dando origem à conectômica, uma área de estudo dedicada ao mapeamento das conexões neurais no cérebro. Na prática, a microeletrônica tornou-se um negócio de engenheiros; a conectômica vai fazer parte do trabalho cotidiano de muitos médicos.

A conectômica vai fazer parte do trabalho cotidiano de muitos médicos

Uma diferença marcante entre microeletrônica e conectômica é que, enquanto a primeira resultou de inúmeras contribuições quase individuais, a segunda, dada a sua complexidade, vem despertando grande interesse colaborativo.

O primeiro reflexo desse interesse foi o estabelecimento, em 2005, do Projeto cérebro azul, da IBM, coordenado por pesquisadores do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça, em Lausanne, com a participação de várias universidades europeias. O empreendimento, atualmente denominado Projeto cérebro humano, tem como principal objetivo simular uma das colunas que constituem o neocórtex (fina camada neural que recobre a área externa do cérebro e tem grande quantidade de sulcos) e acaba de ganhar 2,5 bilhões de reais para os próximos 10 anos.

A resposta norte-americana veio nesta semana, com o lançamento do projeto Pesquisa do cérebro através de avançadas e inovadoras neurotecnologias (Brain, na sigla em inglês), que envolve pesquisadores de várias universidades. A iniciativa tem custo financeiro similar ao da europeia – 200 milhões de reais para 2014 – e objetivos científicos igualmente ambiciosos. Nas palavras do porta-voz do governo dos Estados Unidos, parece simples: inventar e refinar novas tecnologias para entender o cérebro humano.

Na voz dos cientistas a figura é outra, e a tarefa é monumental: registrar e mapear circuitos cerebrais em ação, objetivando mostrar como milhões de células interagem. Os cientistas reconhecem que ainda não têm as técnicas para realizar esse trabalho completamente e o caminho atualmente disponível envolve o uso de eletrodos em partes do cérebro, ou seja, o emprego de técnicas invasivas.

Neurônios
Os cientistas do projeto Brain, recém-lançado pelo governo dos Estados Unidos, pretendem registrar e mapear circuitos cerebrais em ação para mostrar como milhões de neurônios interagem. (foto: Benedict Campbell/ Wellcome Images – CC BY-NC-ND 2.0)

Uma terceira iniciativa colaborativa, talvez de menor escala orçamentária, é o projeto europeu Connect, sigla em inglês para Consórcio de neuroimageadores para a exploração não invasiva de tratos e conectividade cerebral. O projeto, que conta com a participação de oito universidades europeias e da Universidade de Tel Aviv (Israel), baseia-se na hipótese de que a combinação de parâmetros macro e microestruturais obtidos por meio de ressonância magnética difusiva pode ser usada para análise quantitativa da morfologia e conectividade cerebrais.

Técnicas complementares

Uma avaliação superficial pode dar a impressão de que a criação do projeto Brain estabelece uma competição entre duas vertentes da conectômica. De um lado, estariam aqueles que defendem prioritariamente o uso de técnicas não invasivas e, de outro, os que consideram mais eficientes as técnicas invasivas. Na verdade, estes são esforços complementares.

Até o momento, as técnicas não invasivas contribuem para o que podemos chamar de macroconectômica, enquanto as técnicas invasivas fornecem dados referentes à funcionalidade cerebral em termos das sinapses individuais, o que poderíamos denominar de microconectômica. Mesmo dito assim, de modo tão simples, dá para imaginar a extensão e a profundidade do tema. Por isso, esta coluna será dedicada apenas às técnicas não invasivas; as invasivas ficarão para outra oportunidade.

Todas as técnicas não invasivas de mapeamento cerebral baseiam-se em imagens de ressonância magnética e podem ser consideradas parte da macroconectômica, porque sua escala de observação fica entre o micrômetro e o milímetro. De todas as possibilidades de uso da ressonância magnética para a obtenção de imagens cerebrais, duas se destacam atualmente: a ressonância magnética funcional, conhecida pela sigla fMRI, e a ressonância magnética de difusão (dMRI). Essas duas técnicas diferem entre si pelos conceitos e fenômenos que as suportam, pelos seus procedimentos técnicos e pela escala dimensional dos objetos observados.

O método mais empregado na fMRI utiliza como marcador o nível de oxigênio no sangue e é conhecido pela sigla BOLD-fMRI. O fenômeno por trás dele tem a ver com o fato de que o fluxo sanguíneo aumenta na direção de uma área cerebral quando esta é ativada por algum estímulo, sensorial ou cognitivo. Como a técnica observa vasos sanguíneos, sua resolução espacial fica na faixa milimétrica.

Ressonância magnética funcional
Imagens de ressonância magnética funcional. Esse método baseia-se no fato de que o fluxo sanguíneo aumenta na direção de uma área cerebral quando esta é ativada por algum estímulo. (imagem: Kim J, Matthews NL, Park S – CC BY 2.5)

Resolução na escala micrométrica é possível com a dMRI, que se baseia na observação da difusão de moléculas de água através da substância branca, que tem importantes papéis no funcionamento do cérebro, como isolamento elétrico e nutrição dos neurônios. A técnica é recente, mas a ideia de que o estudo da estrutura e organização da matéria branca é relevante para a compreensão da cognição e dos danos cerebrais vem do século 19, quando o anatomista austríaco Theodor Meynert (1833-1892) e o neurologista francês Joseph Dejerine (1849-1917) dissecaram cérebros de pacientes após algum tipo de dano.

Observadores microscópicos

No processo de difusão, as moléculas de água são afetadas por estruturas microscópicas dos tecidos celulares e, portanto, funcionam como um observador microscópico, fornecendo informações sobre a organização geométrica dos tecidos neurais, bem como sobre mudanças fisiológicas e patológicas. Essas informações são fornecidas por meio do coeficiente de difusão, uma medida da velocidade com que as moléculas se locomovem na matéria branca. Ou seja, qualquer estrutura capaz de alterar o coeficiente de difusão da água pode ser exibida nas imagens obtidas com dMRI.

As moléculas de água funcionam como um observador microscópico, fornecendo informações sobre a organização geométrica dos tecidos neurais e mudanças fisiológicas e patológicas

Podemos apreciar a beleza desse método, mesmo sem entrar nos complexos detalhes técnicos da sua execução e nos igualmente complicados cálculos matemáticos necessários para a transformação dos dados em imagens.

Os fundamentos da ressonância magnética, descritos na coluna de fevereiro de 2010, são válidos para a dMRI. A questão é saber como o movimento da molécula da água, ou seja, o movimento do hidrogênio presente na molécula da água, pode ser transformado em imagem.

Em meados dos anos 1980, o médico francês Denis Le Bihan (1957-) teve uma ideia genial para detectar átomos de hidrogênio em movimento. Para explicá-la, me vejo obrigado a fazer uma simplificação irreal, quase metafórica.

Imagine um único próton. Seu movimento não será detectado se um campo magnético homogêneo incidir sobre ele. Mas, se for utilizado um campo magnético cuja intensidade varia no espaço, ou seja, se for produzido um gradiente de campo magnético, quando o próton interagir com esse campo após um deslocamento, ele sentirá uma intensidade diferente e sua resposta não será a mesma. O resultado será uma diminuição no sinal da ressonância proporcional à alteração do coeficiente de difusão do próton. O tratamento matemático das diferenças de sinal captadas no processo resultará na imagem.

Igualmente complexos são os fundamentos e os procedimentos das técnicas invasivas. Nesse caso, há objetivos, quase sonhos, que nem os mais competentes pesquisadores sabem exatamente como alcançar. Aparentemente, o ideal seria medir qualquer atividade, de qualquer neurônio, em determinado circuito cerebral, ou conectoma.

O problema é que temos em torno de 80 bilhões de neurônios, que tipicamente realizam 100 trilhões de sinapses. Alguém pode imaginar medir cada um desses eventos? Felizmente, por causa das propriedades emergentes resultantes de atividades cerebrais colaborativas, basta medir uma parte disso. A definição de qual parte e em que quantidade é um dos objetivos do projeto Brain.

Carlos Alberto dos Santos
Professor-visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana

Matéria publicada em 05.04.2013

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