Um mapa cerebral 3D intrincadamente detalhado de 1400 TB

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Seis camadas de neurônios excitatórios são codificadas por cores por profundidade. Crédito: Google Research e Lichtman Lab

Um esforço colaborativo entre a Universidade de Harvard e o Google levou a um avanço na ciência do cérebro, produzindo um mapa 3D em grande escala de uma pequena parte do cérebro humano, revelando interações neurais complexas e estabelecendo as bases para o mapeamento de todo o cérebro do rato.

Um milímetro cúbico de tecido cerebral pode não parecer muito. Mas considerando que o pequeno quadrado contém 57 mil células, 230 milímetros de vasos sanguíneos e 150 milhões de sinapses, tudo totalizando 1.400 terabytes de dados, os pesquisadores de Harvard e do Google acabaram de realizar algo enorme.

Uma equipe da Universidade de Harvard liderada por Jeff Lichtman, Jeremy R. Knowles, Professor de Biologia Molecular e Celular e recém-nomeado Reitor de Ciências, fez parceria com pesquisadores do Google para criar a maior resolução sináptica e reconstrução 3D de um pedaço do cérebro humano até o momento. Ele mostra em detalhes vívidos cada célula e sua rede de conexões neurais em um pedaço do córtex temporal humano com cerca de metade do tamanho de um grão de arroz.

Avanços tecnológicos na neurociência

Um feito impressionante, publicado na revista Ciências, é o mais recente de uma colaboração de quase 10 anos com cientistas do Google Research, que estão combinando imagens de microscopia eletrônica de Lichtman com algoritmos de inteligência artificial para codificar cores e reconstruir a fiação altamente complexa dos cérebros dos mamíferos. Os três coautores do artigo são o ex-pesquisador de pós-doutorado de Harvard Alexander Shapson Kuo; Michal Januszewski, do Google Research, e o pesquisador de pós-doutorado de Harvard, Daniel Berger.

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O objectivo último da cooperação, apoiado por Iniciativa do Cérebro dos Institutos Nacionais de Saúdeé criar um mapa de alta resolução da fiação neural de todo o cérebro do rato, o que exigirá cerca de 1.000 vezes a quantidade de dados produzidos a partir de uma seção de 1 milímetro cúbico do córtex humano.

Insights do mapa cerebral mais recente

“A palavra ‘parte’ é ridícula”, disse Lichtman. “Um terabyte, para a maioria das pessoas, é enorme, mas uma parte do cérebro humano – apenas uma pequena porção de um cérebro humano – ainda tem milhares de terabytes.”

O mapa mais recente publicado na revista Science contém detalhes nunca antes vistos da estrutura do cérebro, incluindo uma coleção rara, mas poderosa, de axônios conectados a até 50 sinapses. A equipe também observou anormalidades nos tecidos, como um pequeno número de axônios que formavam vórtices em grande escala. Como a amostra foi proveniente de um paciente com epilepsia, eles não têm certeza se essas formações incomuns são patológicas ou simplesmente raras.

O campo da ciência da comunicação

O campo de Lichtman é a “ciência das conexões”, que, assim como a genômica, busca criar catálogos abrangentes da estrutura cerebral, até células e conexões individuais. Esses mapas concluídos abririam caminho para novos conhecimentos sobre funções e doenças cerebrais, sobre as quais os cientistas ainda sabem muito pouco.

Os algoritmos de IA de última geração do Google permitem que o tecido cerebral seja reconstruído e mapeado em três dimensões. A equipe também desenvolveu um conjunto de ferramentas disponíveis publicamente que os pesquisadores podem usar para examinar e anotar a rede neural.

Tendências futuras

“Dados os enormes investimentos que foram feitos neste projeto, era importante apresentar os resultados de uma forma que todos pudessem se beneficiar deles agora”, disse Viren Jain, colaborador do Google Research.

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A seguir, a equipe abordará a formação do hipocampo no camundongo, importante para a neurociência por seu papel na memória e nas doenças neurológicas.

Referência: “Porção de petavoxel do córtex cerebral humano reconstruída em Escala nanométrica “Resolução” de Alexander Shapson Kuo, Michal Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuhong Wang, Jeremy Maiten Shepherd, Neha Karlopia, Sven Durkenwald, Evelina Sjostedt , Laramie Levitt, Donghill Li, Jacob Truedle, Forrest Coleman, Luke Bailey, Angerika Fitzmaurice, Ruhin Carr, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Karina, David Aaliyah, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg e Viren Jane e Jeff W. Lichtman, 10 de maio de 2024, Ciências.
doi: 10.1126/science.adk4858

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