O Google ajudou a criar o mapa mais detalhado das conexões dentro do cérebro humano.
Ele revela uma quantidade impressionante de detalhes, incluindo padrões de conexões entre neurônios, bem como o que pode ser um novo tipo de neurônio.
Diagrama do cérebro humano, mostrando as principais estruturas: córtex cerebral (roxo), cerebelo (creme) e tronco cerebral
Uma reconstrução em escala gradual navegável do córtex humano
O mapa do cérebro , que está disponível gratuitamente online , inclui 50.000 células, todas renderizadas em três dimensões. Eles são unidos por centenas de milhões de tentáculos de aranha, formando 130 milhões de conexões chamadas sinapses. O conjunto de dados mede 1,4 petabytes, cerca de 700 vezes a capacidade de armazenamento de um computador moderno médio.
O conjunto de dados é tão grande que os pesquisadores não o estudaram em detalhes, diz Viren Jain , do Google Research em Mountain View, Califórnia. Ele o compara ao genoma humano , que ainda está sendo explorado 20 anos após a publicação dos primeiros rascunhos.
É a primeira vez que vimos a estrutura real de um pedaço tão grande do cérebro humano, diz Catherine Dulac , da Universidade de Harvard, que não estava envolvida no trabalho. “Há algo um pouco emocional nisso.”
Esse empreendimento gigantesco começou quando uma equipe liderada por Jeff Lichtman , também da Universidade de Harvard, obteve um pequeno pedaço do cérebro de uma mulher de 45 anos com epilepsia resistente a medicamentos. Ela foi submetida a uma cirurgia para remover o hipocampo esquerdo, a fonte de seus ataques, de seu cérebro. Para fazer isso, os cirurgiões tiveram que remover alguns tecidos cerebrais saudáveis que cobriam o hipocampo.
Lichtman e sua equipe imergiram imediatamente a amostra em conservantes e a mancharam com metais pesados como o ósmio, para que as membranas externas de cada célula fossem visíveis ao microscópio eletrônico. Em seguida, eles o embutiram em resina para endurecê-lo. Finalmente, eles o cortaram em fatias de cerca de 30 nanômetros de espessura, ou cerca de um milésimo da largura de um cabelo humano, e usaram um microscópio eletrônico para obter a imagem de cada fatia.
Neste ponto, a equipe de Jain no Google assumiu , montando as fatias bidimensionais - que Jain chama de "uma abordagem fatiadora de deli para o cérebro" - para formar um volume tridimensional. Eles usaram o aprendizado de máquina para reconstruir as gavinhas que ligam um neurônio a outro e rotularam os diferentes tipos de células.
Todos esses detalhes são apenas uma pequena fração do cérebro. Jain diz que sua escala é melhor compreendida pensando em uma ressonância magnética funcional (fMRI), usada para mostrar a atividade em diferentes regiões do cérebro. “Todo o conjunto de dados que produzimos é um milímetro cúbico, que geralmente é um pixel em uma varredura de ressonância magnética”, diz ele. “É interessante descobrir tudo sob o capô de um pixel de uma ressonância magnética.”
Para Dulac, o conjunto de dados é “um tesouro de guloseimas para os próximos anos”. A equipe já fez novas descobertas sobre como nosso cérebro é conectado: por exemplo, havia uma discrepância gritante no número de conexões entre os neurônios.
Normalmente, quando uma gavinha de um neurônio passava perto de outro, ela formava apenas uma sinapse ou, mais raramente, duas a quatro. Mas também havia algumas gavinhas que formaram até 20 sinapses em um neurônio-alvo, o que significa que essa gavinha por si mesma provavelmente seria capaz de acionar o neurônio para disparar.
Não está claro por que, mas Lichtman especula que as conexões multi-sinapses fundamentam os comportamentos aprendidos. “Há muitas coisas que seu cérebro faz por cognição, pensando, confundindo e tomando uma decisão, e há muitas coisas que você faz automaticamente que não poderiam ter surgido geneticamente”, diz ele, como frear ao ver um sinal vermelho . As conexões superfortes permitiriam que uma mensagem passasse rapidamente pela rede.
A equipe também encontrou pares misteriosos de neurônios nas profundezas do córtex que não haviam sido observados antes. “As duas células apontavam exatamente na direção oposta no mesmo eixo”, diz Lichtman. Ninguém sabe por quê.
O mapeamento cerebral , ou conectômica , já percorreu um longo caminho desde sua primeira descoberta na década de 1980, quando os pesquisadores mapearam os 302 neurônios do sistema nervoso de um verme chamado Caenorhabditis elegans . Jain, Dulac e Lichtman faziam parte de um grupo que, em 2020, argumentou a favor do mapeamento do cérebro de um rato inteiro em um nível de detalhe semelhante .
“O cérebro de um rato inteiro é apenas 1000 vezes maior do que isso, um exabyte em vez de um petabyte”, diz Lichtman. “Está em uma escala em que provavelmente seremos capazes de fazer isso dentro de uma década, eu suspeito.” Dulac quer ver como o córtex se liga a outras partes do cérebro, e o mapeamento do cérebro do camundongo revelaria isso.
Para mapear um cérebro humano inteiro, seria necessário um conjunto de dados 1000 vezes maior, um zetabyte, que Lichtman diz ser “comparável à quantidade de conteúdo digital gerado em um ano pelo planeta Terra”.
Mas fazer isso pode não valer a pena. “Podemos descobrir que muitas delas são informações de codificação que vieram por meio da experiência e, portanto, cada cérebro será algo diferente de todos os outros”, diz ele. Sem entender como as informações são armazenadas, os dados seriam sem sentido, diz ele.
Um benefício mais imediato seria explorar como o mapa celular difere em pessoas com problemas de saúde mental, diz Dulac. “Estudos semelhantes poderiam ser feitos em pacientes que também têm alguma doença mental”, diz ela, para lançar mais luz sobre como doenças como a esquizofrenia se manifestam.
Referência :https://ai.googleblog.com/2021/06/a-browsable-petascale-reconstruction-of.html
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