O maior mapa cerebral já revela os neurônios da mosca da fruta em detalhes requintados

Uma mosca da fruta pode não ser o organismo mais inteligente, mas os cientistas ainda podem aprender muito com o seu cérebro. Os pesquisadores esperam realizar isso agora que têm um novo mapa – o mais completo para qualquer organismo até agora – do cérebro de uma única mosca da fruta (Drosophila melanogaster). O diagrama de fiação, ou 'conectoma', inclui quase 140 mil neurônios e captura mais de 54,5 milhões de sinapses, que são as conexões entre as células nervosas.

“Este é um grande negócio”, diz Clay Reid, neurobiólogo do Allen Institute for Brain Science em Seattle, Washington, que não esteve envolvido no projeto, mas trabalhou com um dos membros da equipe que estava. “É algo que o mundo espera ansiosamente há muito tempo.”

O mapa¹ é descrito em um pacote de nove artigos sobre os dados publicados em Natureza hoje. Seus idealizadores fazem parte de um consórcio conhecido como FlyWireco-liderado pelos neurocientistas Mala Murthy e Sebastian Seung da Universidade de Princeton, em Nova Jersey.

Uma longa estrada

Seung e Murthy dizem que desenvolvem o mapa FlyWire há mais de quatro anos, usando imagens de microscopia eletrônica de fatias do cérebro da mosca. Os pesquisadores e seus colegas juntaram os dados para formar um mapa completo do cérebro com a ajuda de ferramentas de inteligência artificial (IA).

Mas essas ferramentas não são perfeitas e o diagrama de fiação precisava ser verificado quanto a erros. Os cientistas gastaram muito tempo revisando manualmente os dados – tanto tempo que convidaram voluntários para ajudar. Ao todo, os membros do consórcio e os voluntários fizeram mais de 3 milhões de edições manuais, segundo o coautor Gregory Jefferis, neurocientista da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. (Ele observa que grande parte deste trabalho ocorreu em 2020, quando os pesquisadores de moscas estavam perdidos e trabalhando em casa durante a pandemia de COVID-19.)

Mas o trabalho não estava concluído: o mapa ainda precisava ser anotado, processo no qual os pesquisadores e voluntários rotularam cada neurônio como um tipo específico de célula. Jefferis compara a tarefa à avaliação de imagens de satélite: o software de IA pode ser treinado para reconhecer lagos ou estradas nessas imagens, mas os humanos teriam que verificar os resultados e nomear eles próprios os lagos ou estradas específicos. Ao todo, os pesquisadores identificaram 8.453 tipos de neurônios – muito mais do que se esperava. Destes, 4.581 foram descobertos recentemente, o que criará novas direções de pesquisa, diz Seung. “Cada um desses tipos de células é uma questão”, acrescenta.

A equipe similarmente ficou surpresa com algumas das maneiras pelas quais as várias células se conectam entre si. Por exemplo, neurônios que se pensava estarem envolvidos em apenas um circuito de fiação sensorial, como uma via visual, tendiam a receber sinais de múltiplos sentidos, incluindo audição e tato.¹. “É surpreendente como o cérebro está interconectado”, diz Murthy.

Explorando o mapa

Os dados do mapa FlyWire estão disponíveis nos últimos anos para serem explorados pelos pesquisadores. Isto permitiu aos cientistas aprender mais sobre o cérebro e sobre as moscas da fruta – descobertas que são capturadas em alguns dos artigos publicados em Natureza hoje.

Milímetro cúbico de cérebro mapeado com detalhes espetaculares

Em um papel²por exemplo, os pesquisadores usaram o conectoma para criar um modelo computacional de todo o cérebro da mosca-das-frutas, incluindo todas as conexões entre os neurônios. Eles testaram isso ativando neurônios que eles sabiam sentir sabores doces ou amargos. Esses neurônios então lançaram uma cascata de sinais por entre do cérebro da mosca virtual, acionando neurônios motores ligados à tromba da mosca – o equivalente à língua dos mamíferos. Quando o circuito doce era acionado, era transmitido um sinal de extensão da tromba, como se o inseto estivesse se preparando para se alimentar; quando o circuito amargo foi ativado, este sinal foi inibido. Para validar estas descobertas, a equipa ativou os mesmos neurónios numa mosca da fruta real. Os pesquisadores descobriram que a simulação tinha mais de 90% de precisão na previsão de quais neurônios responderiam e, desse modo, como a mosca se comportaria.

Em outro estudo³os pesquisadores descrevem dois circuitos de fiação que sinalizam para uma mosca parar de andar. Um deles contém dois neurônios responsáveis ​​por interromper os sinais de “andar” enviados pelo cérebro quando a mosca quer parar e se alimentar. O outro circuito inclui neurônios no cordão nervoso, que recebe e processa sinais do cérebro. Essas células criam resistência nas articulações das pernas da mosca, permitindo que o inseto pare enquanto se prepara.

Uma limitação do novo conectoma é que ele foi criado a partir de uma única mosca-das-frutas fêmea. Embora os cérebros das moscas-das-frutas sejam semelhantes entre si, eles não são idênticos. Até agora, o conectoma mais completo para o cérebro de uma mosca-das-frutas era um mapa de um 'hemicérebro' – uma parte do cérebro de uma mosca contendo cerca de 25.000 neurônios. Em um dos Natureza documentos hoje⁴Jefferis, Davi Bock, neurobiólogo da Universidade de Vermont em Burlington, e seus colegas compararam o cérebro FlyWire com o hemicérebro.

Algumas das diferenças foram marcantes. A mosca FlyWire tinha quase o dobro de neurônios em uma estrutura cerebral chamada corpo de cogumelo, que está envolvida no olfato, em comparação com a mosca usada no projeto de mapeamento do hemicérebro. Bock acha que a discrepância pode ser porque a mosca hemicérebro pode ter morrido de fome enquanto ainda estava crescendo, o que prejudicou o evolução do seu cérebro.

Os pesquisadores do FlyWire dizem que ainda há muito trabalho a ser feito para compreender completamente o cérebro da mosca-das-frutas. Por exemplo, o conectoma mais recente mostra apenas como os neurônios se conectam por entre de sinapses químicas, por entre das quais moléculas chamadas neurotransmissores enviam informações. Não oferece nenhuma informação sobre a conectividade elétrica entre os neurônios ou sobre como os neurônios se comunicam quimicamente fora das sinapses. E Murthy espera eventualmente ter similarmente um conectoma de mosca macho, o que permitiria aos investigadores estudar comportamentos específicos dos machos, como cantar. “Ainda não terminamos, mas é um grande passo”, diz Bock.