Os pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um modelo que explica como as células nervosas do cérebro se conectam durante o desenvolvimento. Seu modelo revela que o fator crucial é a divisão celular progressiva. Esse processo leva naturalmente à formação de endereços moleculares que permitem que os neurônios naveguem.
O cérebro humano é de longe o órgão mais complexo que a natureza já produziu:100 bilhões de células nervosas, cada uma conectada a outras células por meio de vários pontos de contato, garantem que nosso conjunto de habilidades inclua a capacidade de um poder cerebral notável. Mas ainda não está claro como esse órgão excepcional consegue se formar a partir do que começa como um aglomerado não estruturado de células embrionárias.

Nenhum plano definido

Ao longo dos últimos anos, grandes somas de financiamento de pesquisa foram despejadas no levantamento preciso da estrutura do cérebro totalmente formado. A comunidade científica espera que o mapeamento abrangente dos neurônios e suas conexões – conhecidos coletivamente como conectoma – forneça uma melhor compreensão de como o cérebro funciona.

No entanto, a questão fundamental complementar de como o cérebro se forma a partir de informações genéticas limitadas permanece sem resposta. Para descrever o conectoma, os genes teriam que conter um bilhão de vezes mais informações do que realmente contêm. Então, como é que humanos e animais nascem com um cérebro complexo e amplamente pré-estruturado que lhes permite progredir rapidamente no aprendizado quase assim que nascem?

Instruções para conectar

A resposta para esse quebra-cabeça é surpreendentemente simples, diz Stan Kerstjens, estudante de doutorado no Instituto de Neuroinformática da ETH Zurique e da Universidade de Zurique, e seus dois conselheiros Richard Hahnloser, professor de neurociências de sistemas, e Rodney Douglas, professor emérito de neuroinformática. .

"Está claro que as instruções para conectar o cérebro devem ser codificadas geneticamente - caso contrário, os cérebros das pessoas não desenvolveriam uma estrutura semelhante", diz Kerstjens. "No entanto, não é o conectoma detalhado que é codificado, mas sim um único método de busca compacto. Este método pode então ser usado pelos axônios, as fibras longas que estabelecem contato com outras células. A rede é então construída por axônios procurando por células que são parentes genéticos de seu próprio neurônio."

Estrutura espacial e genética

Este novo mecanismo é descrito em um artigo publicado recentemente na revista PLOS Computational Biology . Os pesquisadores desenvolveram um modelo que permite simular o desenvolvimento do cérebro de um camundongo nos estágios embrionário e adulto. Em termos humanos, isso corresponde ao estágio de maturidade de uma criança de seis anos.

"Essencialmente, é um modelo de crescimento para tissue", explica Kerstjens. O modelo começa com uma única célula. À medida que novos neurônios surgem, cada divisão celular leva a mudanças estruturadas na expressão gênica. Esse mecanismo garante que cada célula filha tenha uma expressão gênica semelhante, mas não idêntica, à sua mãe, e que as células com expressão gênica semelhante sejam agrupadas próximas umas das outras. A organização das células exigida pelo desenvolvimento faz com que elas sejam marcadas como pontos em um mapa, que a biologia do cérebro pode usar para navegação axônica.

Sequência sistemática de células

Durante o desenvolvimento embrionário, esse processo estabelece uma hierarquia de marcadores genéticos em diferentes regiões do cérebro, cada uma caracterizada pelo padrão genético de seus antepassados ​​compartilhados. Navegar no espaço descrito por essa hierarquia semelhante a um mapa envolve seguir uma sequência sistemática de perfis genéticos que se desenvolveram a cada nova geração de células.

Aqui, os pesquisadores analisaram dados de expressão gênica nos cérebros de camundongos que foram publicados pelo Allen Institute for Brain Science em Seattle. "Nós comparamos os dados de laboratório com nossas simulações e vimos que eles combinavam em grande parte. Então, vemos que a expressão dos genes realmente divide o cérebro em regiões distintas, mas relacionadas", explica Kerstjens.

Pesquisando células relacionadas

Na segunda etapa do modelo, as células se conectam com outras células. "Aqui damos a eles apenas instruções básicas sobre quais sinais moleculares os axônios devem usar para guiá-los em seu caminho", continua Kerstjens. "Essencialmente, dissemos a cada um para traçar os padrões genéticos que determinavam seu próprio desenvolvimento individual. Cabia então aos próprios axônios seguir as direções moleculares para os endereços de suas relações."

Os pesquisadores conseguiram mostrar que esse mecanismo relativamente simples pode levar axônios a certas células a grandes distâncias, produzindo um conectoma muito semelhante ao de um cérebro de camundongo real. "A maioria das células se conecta a outras que estão localizadas próximas, enquanto algumas chegam a regiões muito distantes. Isso dá origem a áreas distintas do cérebro, cada uma contendo redes estreitas e conectadas a outras áreas. ", dizem os pesquisadores.

Ainda assim, esse modelo simples não explica totalmente o mapeamento de um cérebro humano real. "Mas esse não era o objetivo do nosso trabalho", diz Kerstjens. "Queremos entender o princípio de como um órgão capaz de aprender é criado. E o trabalho que fizemos até agora nos mostra o rumo que as pesquisas futuras podem tomar." + Explorar mais

Regiões distantes do cérebro humano são conectadas por surpreendentemente poucas conexões