Pesquisadores do Google Research, em parceria com o HHMI Janelia e colaboradores internacionais, anunciaram a conclusão de um mapa completo do cérebro e do sistema nervoso central de uma mosca-das-frutas macho. O conectoma reúne mais de 166 mil neurônios e cerca de 125 milhões de conexões sinápticas, tornando-se o maior diagrama de fiação cerebral já produzido em número de neurônios.
O maior mapa cerebral da história em número de neurônios
A mosca-das-frutas comum (Drosophila melanogaster) ocupa uma posição central na história da ciência, tendo servido como organismo modelo para descobertas fundamentais em genética que renderam múltiplos Prêmios Nobel. Com um ciclo de vida curto e comportamentos altamente reprodutíveis, o inseto agora lidera também a vanguarda da neurociência computacional.
O cérebro humano possui aproximadamente 86 bilhões de neurônios, uma escala cuja reconstrução sináptica completa ainda permanece fora do alcance da tecnologia atual. No entanto, os princípios computacionais e biológicos fundamentais dos sistemas nervosos são amplamente compartilhados entre espécies. Mapear integralmente organismos menores permite desvendar como os circuitos recebem estímulos sensoriais, processam informações no cérebro e geram respostas motoras coordenadas.
O novo estudo, publicado na revista científica Cell sob o título "Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system", é o fruto de uma colaboração de dez anos liderada pelo Janelia Research Campus, do Howard Hughes Medical Institute (HHMI), junto aos cientistas Micha Januszewski e Viren Jain, do Google Research. O mapa abrange não apenas a cabeça do inseto, mas também o cordão nervoso ventral (VNC, sigla em inglês para ventral nerve cord), estrutura análoga à medula espinhal em vertebrados, revelando como o cérebro governa diretamente o restante do corpo.
Reconstrução tridimensional com inteligência artificial
O processo de mapeamento, chamado de conectômica, tem início no corte do tecido neural em milhões de fatias ultrafinas. Cada seção é digitalizada individualmente por microscópios eletrônicos em altíssima resolução. Em seguida, algoritmos de inteligência artificial e visão computacional alinham essas fatias bidimensionais e reconstroem a morfologia tridimensional de cada neurônio ao longo de todo o volume cerebral.
Entre as principais inovações desenvolvidas pela equipe de conectômica do Google estão as flood-filling networks (redes de preenchimento por inundação). Esse tipo de rede neural convolucional inicia sua inferência em um único pixel e rastreia autonomamente todos os demais pixels que compõem a mesma membrana e ramificação celular, distinguindo conexões neurais entrelaçadas com precisão nanométrica.
Para acelerar a reconstrução e elevar a fidelidade estrutural, a equipe incorporou dados sintéticos de neurônios no treinamento do sistema PATHFINDER, o pipeline de reconstrução automatizada do Google. Além disso, todo o conectoma gerado por computador passou por uma minuciosa verificação humana (proofreading) realizada por uma equipe de especialistas no HHMI Janelia, corrigindo eventuais falhas de segmentação e garantindo máxima confiabilidade científica.
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Dimorfismo sexual e circuitos de cortejo e agressividade
A conclusão do conectoma do macho complementa diretamente o mapa do cérebro da fêmea, reconstruído em etapas anteriores pelo consórcio. Ao dispor de diagramas de fiação completos para ambos os sexos da mesma espécie, os cientistas podem realizar comparações diretas para localizar exatamente onde as conexões neurais convergem ou diferem.
Essas variações morfológicas e de conectividade sináptica, conhecidas como dimorfismo sexual, são responsáveis por comportamentos inatos distintos, como o ritual de cortejo e padrões de agressividade territorial observados nos machos. Com a reconstrução em 3D guiada por IA, os pesquisadores conseguiram identificar neurônios individuais que apresentam projeções anatômicas extras no cérebro masculino.
Ao mesmo tempo, nas regiões cerebrais que desempenham funções comuns a ambos os sexos, a existência de dois conectomas inteiramente mapeados abre uma oportunidade pioneira: quantificar a variabilidade natural da fiação neural entre indivíduos diferentes da mesma espécie, um dos grandes mistérios da biologia do desenvolvimento.
O avanço para vertebrados e o futuro da neurociência
A metodologia pioneira consolidada na mosca-das-frutas já está sendo expandida para organismos vertebrados, que possuem coluna vertebral e são funcionalmente mais próximos da anatomia humana. Em estudo recente conduzido pela Universidade de Columbia e publicado na revista Nature, a equipe do Google colaborou no mapeamento do cérebro posterior do peixe-elefante (Gnathonemus petersii), demonstrando como um conectoma estático pode ser associado à plasticidade neural para criar o modelo mecanicista de aprendizado mais detalhado já formulado para um vertebrado.
Outro avanço relevante envolve o peixe-zebra (Danio rerio) em estágio larval. Por apresentar corpo transparente nessa fase, ele possibilita a medição de atividade elétrica em tempo real durante experimentos comportamentais. Em colaboração com a Universidade de Harvard, os pesquisadores estão finalizando o conjunto de dados Fish Fire&Wire, o primeiro a combinar atividade neural dinâmica e fiação estrutural completa em um vertebrado.
Todo o conjunto de dados do conectoma da mosca foi disponibilizado publicamente no Neuroglancer, ferramenta de código aberto desenvolvida pelo Google para visualização interativa de dados multidimensionais massivos. Segundo os autores, ao desvendar a mecânica de como cérebros saudáveis processam o mundo, a neurociência dá passos essenciais para compreender no futuro as origens de desordens cognitivas e psiquiátricas humanas, como Alzheimer, depressão e esquizofrenia, subsidiando novas terapias e estratégias de reparação neural.
