Os pesquisadores concluíram o mapa cerebral mais avançado até hoje, o de um inseto, uma conquista histórica na neurociência que aproxima os cientistas da verdadeira compreensão do mecanismo do pensamento.

A equipe internacional liderada pela Universidade Johns Hopkins e pela Universidade de Cambridge produziu um diagrama incrivelmente detalhado traçando todas as conexões neurais no cérebro de uma larva de mosca da fruta, um modelo científico arquetípico com cérebros comparáveis ??aos humanos.

O trabalho, que provavelmente sustentará pesquisas futuras sobre o cérebro e inspirará novas arquiteturas de aprendizado de máquina, foi publicado na revista Science .

"Se queremos entender quem somos e como pensamos, parte disso é entender o mecanismo do pensamento", disse o autor sênior Joshua T. Vogelstein, engenheiro biomédico da Johns Hopkins especializado em projetos orientados a dados, incluindo conectômica, o estudo das conexões do sistema nervoso. "E a chave para isso é saber como os neurônios se conectam uns aos outros."

A primeira tentativa de mapear um cérebro – um estudo de 14 anos sobre a lombriga iniciado na década de 1970, resultou em um mapa parcial e um Prêmio Nobel. Desde então, conectomas parciais foram mapeados em muitos sistemas, incluindo moscas, camundongos e até humanos, mas essas reconstruções normalmente representam apenas uma pequena fração do cérebro total. Conectomas abrangentes foram gerados apenas para várias espécies pequenas com algumas centenas a alguns milhares de neurônios em seus corpos - uma lombriga, uma ascídia larval e um verme anelídeo marinho larval.

O conectoma desta equipe de um bebê mosca-das-frutas, Drosophila melanogaster larva, é o mapa mais completo e mais amplo de um cérebro de inseto já concluído. Inclui 3.016 neurônios e todas as conexões entre eles: 548.000.

"Já se passaram 50 anos e este é o primeiro conectoma cerebral. É uma bandeira na areia que podemos fazer isso", disse Vogelstein. "Tudo tem funcionado para isso."

Mapear cérebros inteiros é difícil e extremamente demorado, mesmo com a melhor tecnologia moderna. Obter uma imagem completa do nível celular de um cérebro requer fatiar o cérebro em centenas ou milhares de amostras de tecido individuais, todas as quais devem ser visualizadas com microscópios eletrônicos antes do meticuloso processo de reconstruir todas essas peças, neurônio por neurônio, em uma imagem completa. , retrato preciso de um cérebro. Demorou mais de uma década para fazer isso com o bebê mosca da fruta. Estima-se que o cérebro de um camundongo seja um milhão de vezes maior que o de um bebê mosca-das-frutas, o que significa que a chance de mapear algo próximo a um cérebro humano não é provável em um futuro próximo, talvez nem mesmo em nossas vidas.

A equipe escolheu propositadamente a larva da mosca-das-frutas porque, para um inseto, a espécie compartilha muito de sua biologia fundamental com os humanos, incluindo uma base genética comparável. Ele também possui comportamentos ricos de aprendizado e tomada de decisão, tornando-o um organismo modelo útil em neurociência. E para fins práticos, seu cérebro relativamente compacto pode ser fotografado e seus circuitos reconstruídos dentro de um prazo razoável.

Mesmo assim, o trabalho levou 12 anos da Universidade de Cambridge e da Johns Hopkins. A imagem por si só levou cerca de um dia por neurônio.

Os pesquisadores de Cambridge criaram as imagens de alta resolução do cérebro e as estudaram manualmente para encontrar neurônios individuais, rastreando rigorosamente cada um e ligando suas conexões sinápticas.

Cambridge entregou os dados para Johns Hopkins, onde a equipe passou mais de três anos usando o código original que eles criaram para analisar a conectividade do cérebro. A equipe de Johns Hopkins desenvolveu técnicas para encontrar grupos de neurônios com base em padrões de conectividade compartilhados e, em seguida, analisou como a informação poderia se propagar pelo cérebro.

No final, a equipe completa mapeou cada neurônio e cada conexão e categorizou cada neurônio pelo papel que desempenha no cérebro. Eles descobriram que os circuitos mais movimentados do cérebro eram aqueles que levavam para dentro e para fora dos neurônios do centro de aprendizagem.

Os métodos desenvolvidos por Johns Hopkins são aplicáveis ??a qualquer projeto de conexão cerebral, e seu código está disponível para quem tentar mapear um cérebro animal ainda maior, disse Vogelstein, acrescentando que, apesar dos desafios, espera-se que os cientistas assumam o mouse, possivelmente dentro do próxima década. Outras equipes já estão trabalhando em um mapa do cérebro adulto da mosca-das-frutas. O co-primeiro autor Benjamin Pedigo, candidato a doutorado da Johns Hopkins em Engenharia Biomédica, espera que o código da equipe possa ajudar a revelar comparações importantes entre conexões no cérebro adulto e larval. À medida que os conectomas são gerados para mais larvas e outras espécies relacionadas, Pedigo espera que suas técnicas de análise possam levar a uma melhor compreensão das variações na fiação cerebral.

O trabalho da larva da mosca-das-frutas mostrou características de circuito que lembravam notavelmente as proeminentes e poderosas arquiteturas de aprendizado de máquina. A equipe espera que o estudo contínuo revele ainda mais princípios computacionais e potencialmente inspire novos sistemas de inteligência artificial.

"O que aprendemos sobre o código para moscas-das-frutas terá implicações para o código para humanos", disse Vogelstein. "É isso que queremos entender - como escrever um programa que leva a uma rede cerebral humana ."