Novo método tomográfico revela detalhes extraordinários das conexões cerebrais

New imaging method reveals stunning details of brain connections
November 17, 2010

(Veja a figura - muito boa - no site original)

PhysOrg. Pesquisadores da Stanford University School of Medicine, aplicando um sistema tomográfico de última geração a amostras de tecido cerebral de ratos foram capazes de localizar e contar rapida e precisamente miríades de conexões entre as células nervosas com detalhes sem precedentes, assim como capturar e catalogar a surpeendente variedade dessas conexões.

Um cérebro humano típico saudável contém por volta de 200 bilhões de células nervosas, ou neurônios, ligados uns aos outros através de centenas de trilhões de minúsculos contatos chamados de sinapses. É nessas sinapses que um impulso elétrico correndo ao longo de um neurônio é transmitido para outro, ampliando ou diminuindo a probabilidade de que o segundo neurônio irá disparar um impulso de sua iniciativa. Um neurônio pode fazer dezenas de milhares de contatos sinápticos com outros neurônios, disse Stephen Smith, Ph.D., professor de fisiologia molecular e celular e autor senior de um trabalho que descreve o estudo, a ser publicado em 18 de novembro na revista Neuron.

Como as sinapses são tão diminutas e agregadas estreitamente, tem sido difícil manipular os complexos circuitos neuronais que fazem nosso pensamento, sentimento e ativação do movimento. Mas o novo método pode colocar o mapeamento dessas conexões ao alcance dos cientistas. Ele funciona combinando fotografia de alta resolução com moléculas fluorescentes especializadas que se ligam a diferentes proteínas e brilham em diferentes cores. Um poder computacional maciço captura essas informações e as converte em imagens.

Examinada bem de perto, uma sinapse - que tem menos de um milésimo de centímetro de diâmetro - é uma interface especializada que consiste das bordas de dois neurônios, separadas por um espaço diminuto. Os elementos químicos borrifados para fora da borda de um neurônio se difundem ao longo desse espaço, ativando uma atividade elétrica no próximo (neurônio), transmitindo desse modo um sinal nervoso. Há talvez dúzias de tipos de sinapses, categorizadas de acordo com o tipo de elementos químicos empregados nelas. Tipos sinápticos diferentes diferem correspondentemente nas proteínas locais de um neurônio de fronteira ou do outro, que estão associados com o acondicionamento, a secreção e a tomada de diferentes elementos químicos.

O número de sinapses no cérebro varia ao longo do tempo. Períodos de proliferação maciça no desenvolvimento fetal, na infância e na adolescência dão lugar a explosões igualmente maciças de 'desbastamento', durante o qual sinapses subutilizadas são eliminadas e eventualmente a um declínio contínuo e gradual com o passar dos anos. O número e a potência dessas conexões sinápticas em diversos circuitos também flutuam com os ciclos de alerta e sono, e também na aprendizagem. Muitos distúrbios neurovegetativos são marcados por uma depleção pronunciada de tipos específicos de sinapses em regiões chaves do cérebro.

Em particular, o córtex cerebral - uma fina camada de tecido sobre a superfície do cérebro - é um emaranhado de neurônios que se ramificam prolificamente. "Em um ser humano, há mais de 125 trilhões de sinapses apenas no córtex cerebral", disse Smith. Isso é igual ao número de estrelas em 1.500 Vias Lácteas, notou ele.

Mas tentar mapear os complexos circuitos do córtex cerebral tem sido muito difícil até agora, disse Smith. "Temos feito suposições". As sinapses cerebrais são tão estreitamente agregadas que não podem ser reveladas confiavelmente nem mesmo pelos melhores microscópios tradicionais de luz, disse ele. "Agora nós podemos realmente contá-las, e junto com isso podemos catalogar cada uma delas de acordo com seu tipo".

A tomografia por formação (array tomography), um método de imagem co-inventado por Smith e Kristina Micheva, Ph.D., que é cientista senior do laboratório de Smith, foi utilizada no estudo da seguinte maneira: uma amostra de tecido - nesse caso, do córtex cerebral de um rato - foi cuidadosamente fatiada em seções de 70 nanômetros (a distância ocupada por 700 átomos de hidrogênio teoricamente alinhados lado a lado). Essas seções ultrafinas foram tingidas com anticorpos projetados para uma combinação com 17 tipos diferentes de proteínas associadas a sinapses, e depois foram modificadas através da conjugação com moléculas que respondem à luz brilhando em diferentes cores.

Os anticorpos foram aplicados em grupos de três às seções cerebrais. Após cada aplicação, grandes números de fotografias de extrema alta-resolução foram geradas automaticamente para registrar os locais das diferentes cores fluorescentes associadas aos anticorpos de diferentes proteínas sinápticas. Os anticorpos foram então enxaguados (e retirados) e o procedimento repetido para o próximo conjunto de três anticorpos, e assim por diante. Cada sinapse individual, desse modo, adquiriu sua própria 'assinatura' de composição proteínica, permitindo a compilação de um catálogo de alta definição dos diversos tipos sinápticos do cérebro.

Todas as informações capturadas nas fotos foram registradas e processadas por um novo software de computador, cuja maior parte foi projetada pelo coautor do estudo, Brad Busse, um estudante de graduação do laboratório de Smith. Ele virtualmente costurou as fatias da seção original em uma imagem tridimensional que pode ser girada, penetrada e navegada pelos pesquisadores.

A equipe de Stanford utilizou amostras do cérebro de um rato que tinha sido modificado através da bioengenharia de modo que neurônios particularmente grandes que abundam no córtex cerebral expressassem uma proteína fluorescente, normalmente encontrada em águas-vivas, que brilha em verde-amarelado. Isso lhes permitiu visualizar as sinapses contra o fundo dos neurônios que eles ligaram.

Os pesquisadores puderam 'viajar' através do mosaico em 3-D resultante e observar as diferentes cores correspondentes a diferentes tipos sinápticos, assim como um viajante pode transitar pelo espaço sideral e notar os diferentes matizes das estrelas que pontilham a escuridão infinita. Esse software também criou um filme.

Esse nível de visualização detalhada nunca tinha sido alcançado antes, disse Smith. "Todo o contexto anatômico das sinapses ficou preservado. Você sabe direitinho onde está cada uma, e de que tipo ela é", disse ele.

Observada dessa maneira, a complexidade generalizada do cérebro é quase inacreditável, disse Smith. "Uma sinapse, em si mesma, é mais parecida com um microprocessador - com armazenamento de memória e elementos de processamento de informações - do que com um interruptor para ligar e desligar. Um único cérebro humano tem mais interruptores do que todos os computadores, roteadores e conexões da Internet da Terra", disse ele.

No decurso desse estudo, cujo objetivo primário era demonstrar a aplicação da nova técnica à neurociência, Smith e olegas descobriram distinções novas e delicadas dentro de uma classe de sinapses que anteriormente eram consideradas idênticas. Sua equpe está agora focalizando o uso da array tomography para despertar mais distinções desse tipo, o que iria acelerar o progresso dos neurocientistas, por exemplo, na identificação de quantos de quais subtipos são ganhos ou perdidos durante o processo de aprendizagem, após uma experiência como dor traumática ou em distúrbios neurovegetativos como Alzheimer. Com apoio do National Institutes of Health, o laboratório de Smith está utilizando a array tomography para examinar amostras de tecido de cérebros de Alzheimer obtidos em Stanford e na University of Pennsylvania.

"Prevejo que dentro de alguns anos a array tomography se tornará uma técnica de patologia clínica dominante, e uma ferramenta para a pesquisa de drogas", disse Smith. Ele e Micheva estão fundando uma compania que no momento está reunindo fundos de investidores para outros trabalhos ao lngo dessa linha. O Office of Technology Licensing de Stanford obteve uma patente nos Estados Unidos e deu entrada em outra.

Provided by Stanford University Medical Center