Os modelos de computador podem ser o próximo passo na decodificação do cérebro
Por Mary Brophy Marcus
16 de setembro de 2022 - Durante todo o dia, suas células cerebrais estão enviando e recebendo mensagens através de sinais elétricos e químicos. Estas mensagens ajudam você a fazer coisas como mover seus músculos e usar seus sentidos - à medida que você prova sua comida, sente o calor que sai de um fogão, ou lê as palavras desta página.
Se pudéssemos entender melhor como essas mensagens são enviadas e recebidas, ganharíamos poderosas percepções sobre a conexão cérebro-corpo e lançaríamos luz sobre o que está acontecendo quando essas conexões não estão funcionando - como com doenças cerebrais como Alzheimer e Parkinson.
Para esse fim, os neurocientistas do Cedars-Sinai em Los Angeles construíram modelos computadorizados de células cerebrais individuais - os modelos mais complexos até o momento, dizem eles. Usando computação de alto desempenho e inteligência artificial, ou IA, os modelos, como descrito na revista Cell Reports, capturam a forma, o tempo e a velocidade dos sinais elétricos que as células cerebrais chamam de neurônios disparam.
A nova pesquisa é parte de uma busca de décadas entre cientistas para entender o funcionamento interno do cérebro, não apenas cognitivamente, mas biologicamente, geneticamente e eletricamente.
Os primeiros pesquisadores mais famosos foram Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley e John Carew Eccles, que ganharam o Prêmio Nobel de Medicina de 1963 por suas descobertas sobre as membranas das células nervosas.
"Hoje é um momento único quando os conjuntos de dados detalhados de um neurônio estão disponíveis em grandes quantidades e para muitas células", diz o autor do estudo, Costas Anastassiou, PhD, um cientista pesquisador do Departamento de Neurocirurgia do Cedars-Sinai. "O tamanho e a velocidade dos computadores atuais nos permitem explorar mecanismos [detalhados] em nível de célula única - para cada célula".
Como você modela a atividade das células cerebrais usando um computador?
Afinal, os pulsos elétricos que os neurônios usam para se comunicar podem ser replicados usando código de computador.
"Nós replicamos as distintas formas de onda de tensão e trajetórias de tempo destes pulsos usando equações matemáticas", diz Anastassiou. Em seguida, eles construíram modelos computadorizados usando conjuntos de dados de experimentos em camundongos.
Estes experimentos medem certas coisas nas células - como seu tamanho, forma e estrutura, ou como eles respondem às mudanças. Cada modelo de célula combina todos estes elementos e pode ajudar a revelar como eles se conectam.
Modelos de computador podem conciliar duas informações críticas: a composição celular (blocos de construção de células cerebrais) e os padrões observados durante a atividade cerebral. Com a ajuda do computador, as ligações entre os conjuntos de dados tornam-se claras. Isto poderia ajudar a preparar o caminho para descobrir o que realmente causa a mudança do cérebro, dizem os pesquisadores - um passo crucial quando se olha para os distúrbios.
O que os computadores podem nos dizer sobre o cérebro humano?
Um dos potenciais usos excitantes dos modelos de células cerebrais seria testar todos os tipos de teorias sobre distúrbios cerebrais que seriam difíceis ou impossíveis de criar através de experimentos em laboratório. Além disso, o trabalho pode levar a novos insights sobre o cérebro: o quanto as células cerebrais são semelhantes ou diferentes, o que as conecta ou as torna diferentes, e o que isso significa através de um espectro de propriedades.
Computadores e matemática estão contando histórias sobre o cérebro, e Anastassiou diz para ele, o fascínio vem da simplicidade do resultado e da riqueza de seus impactos.
"Sempre fui fascinado pela questão de como as equações matemáticas representam células vivas, computacionais, biológicas - particularmente para o cérebro, o epicentro do que nos torna humanos", diz ele.
