Um mapa do cérebro | Allan Jones | TEDxCaltech

Esta palestra foi dada num evento TEDx local, produzido independentemente das Conferências TED.

Essa palestra cobre algumas das pesquisas correntes mais recentes sobre a compreensão da função do cérebro.

Complexidade.

Nada traduz melhor essa palavra
do que o cérebro humano.

Por séculos estudamos a complexidade
do cérebro humano

usando as ferramentas e tecnologias à mão,

seja um lápis e papel na era de da Vinci,

seja com os avanços da microscopia

para poder observar
mais a fundo no cérebro,

até as novas tecnologias
que vocês ouviram hoje

como o "imageamento"
por ressonância magnética,

para observar os detalhes do cérebro.

Uma das primeiras coisas
que se percebe ao olhar

um cérebro humano fresco,
é a quantidade de vasculatura

que o cobre por completo.

O cérebro é um órgão
metabolicamente voraz.

Aproximadamente um quarto
do oxigênio em seu sangue,

aproximadamente um quinto
da glicose em seu sangue,

estão sendo usados por este órgão.

Ele é tão metabolicamente ativo,
que há um fluxo de resíduos

que sai através
de seu fluido cerebrospinal.

Geramos meio litro deste fluido todo dia.

Então, como sabem,
os pesquisadores se aproveitaram

dessa quantidade enorme
de fluxo sanguíneo e atividade metabólica

para começar a mapear as regiões
do cérebro e detalhá-lo funcionalmente

de maneiras significativas.

Vocês vão ouvir muito mais
sobre esses tipos de estudos,

que basicamente aproveitam
o fato deste metabolismo ativo

ocorrer durante determinadas tarefas.

Pode-se colocar um ser humano
vivo numa máquina

e ver diversas áreas acenderem.

Por exemplo, agora mesmo estamos
ativando o córtex temporal,

o processamento auditivo está ocorrendo,
vocês escutam minhas palavras

e processam o que eu falo.

Na parte da frente desse cérebro
está o córtex pré-frontal,

a área cerebral de tomada de decisão,

e de pensamentos conscientes.

E o que nos interessa muito

na perspectiva do Instituto Allen,

é entrar mais fundo,
e chegar no nível celular.

Quando olhamos essa fatia,
não parece muito uma substância cinzenta.

É uma substância mais marrom, bege.

E os cientistas,
acho que no final do século 19,

descobriram que podiam
tingir o tecido de várias maneiras,

e isso meio que acompanhou
várias técnicas de microscopia.

E isto é uma coloração, chamada Nissl,

que tinge corpos celulares na cor roxa.

E vocês podem ver
muitas estruturas e texturas

quando olham algo assim.

Podem ver as camadas externas
do cérebro e o neocórtex,

há uma estrutura de seis camadas,
possivelmente o que nos tornou humanos.

Como já devem ter ouvido antes,
um ser humano tem,

em média, 86 bilhões de neurônios,
e esses 86 bilhões de neurônios

não estão distribuídos igualmente;

eles estão muito concentrados
em estruturas específicas.

E cada um deles
têm seu próprio tipo de função,

seja no nível anatômico
como no nível celular.

Então se ampliarmos essas células,
o que veremos são células grandes

e pequenas células de suporte
que são as gliais e os astrócitos

e essas células estão conectadas
de diversas maneiras diferentes.

E gostamos de pensar que,
apesar dos 86 bilhões de neurônios,

cada célula é como um floco de neve,
e pode ser classificada

em um grande número
de tipos ou classes de células.

O tipo de atividade
que aquela classe celular tem

é determinado pelos genes
ativados naquela célula,

que regulam a expressão de proteínas
que guiam a função dessas células,

como elas estão conectadas,
como é sua morfologia,

e estamos muito interessados
em compreender essas classes celulares.

Então como fazemos isso?

Bem, nós olhamos no núcleo da célula

-- e vamos chegar ao núcleo --

e nele temos 23 pares de cromossomos,

metade da mãe e metade do pai,

e nesses cromossomos há 25 mil genes,
e estamos muito interessados

em entender quais desses 25 mil genes
são ativados

e em que nível estão ativados.

Esses genes vão regular
a bioquímica subjacente das células

onde estão ativados, e cada célula
em nossos corpos tem esses genes

e queremos entender melhor

como é essa bioquímica regulada
pelo nosso genoma.

Então como fazemos isso?

Nós vamos desconstruir o cérebro
em várias etapas fáceis.

Então começamos no posto médico legal.

Este é um lugar onde os mortos são levados

e, como vocês viram,

para o tipo de trabalho que fazemos,
ele não é não-invasivo.

Nós realmente precisamos
obter o tecido cerebral fresco

e precisamos obtê-lo dentro de 24 horas,
pois o tecido começa a degradar.

Nós também queremos tecidos normais
para nossos projetos,

o mais normal que pudermos conseguir.

Então ao longo
de dois ou três anos de coleta,

tivemos seis cérebros de alta qualidade,
cinco deles masculino, um feminino.

Isso só porque os homens
tendem a morrer inesperadamente

com mais frequência
do que as mulheres, e além disso,

mulheres tendem mais a dar consentimento

para coletarmos o cérebro
do que o contrário.

Descobrimos isso sozinhos.

Nós ouvimos as pessoas dizerem:
"Ele não usava o cérebro mesmo!"

(Risos)

Então, assim que o cérebro chega,
temos de ser muito rápidos.

Primeiro capturamos
uma imagem de ressonância magnética.

Isso, claro, é muito familiar a vocês,

mas essa será a estrutura
em que baseamos toda a informação;

é como um painel de coordenadas comum
pelo qual muitos pesquisadores

que fazem estudos de "imageamento"
podem mapear

em nosso banco de dados final,
como um Atlas estruturado.

Nós também coletamos imagens
por tensor de difusão,

assim obtemos algumas das conexões
desses cérebros.

E depois o cérebro é removido do crânio.

Ele é dissecado e congelado,
e depois enviado para Seattle

onde fica
o Allen Institute for Brain Science.

Temos ótimos técnicos que utilizam

várias técnicas incríveis
para o processamento seguinte.

Primeiro, temos uma seção bem fina,
de 25 mícrons,

da espessura do cabelo de um bebê.

Isso é transferido para uma lâmina
de microscópio e depois é tingido

com um dos corantes histológicos
que mencionei antes.

E isso vai nos dar mais contraste
conforme nossas equipes de anatomistas

começam a fazer seus trabalhos anatômicos.

Então digitalizamos essas imagens,

tudo vai de um laboratório fresco
para um laboratório seco.

E ao combinar a anatomia
com o que obtivemos da RM,

nós fragmentamos ainda mais o cérebro.

Tudo isso para obter um painel menor
no qual podemos fazer isso.

Aqui está um técnico
fazendo cortes adicionais.

Essa é mais uma seção de 25 mícrons.

Podemos ver os instrumentos de da Vinci,

os pincéis sendo usados
para refinar a tarefa.

Isto é um tecido cerebral
fresco e congelado.

E ele pode ser cuidadosamente
grudado numa lâmina de microscópio.

Podemos notar
o código de barras na lâmina.

Nós processamos milhares de amostras,

e rastreamos tudo isso num sistema
final de gestão de informação.

Esses são marcados.

E depois obtemos informações
anatômicas mais detalhadas.

Essa informação...

Este é um microscópio de captura a laser.

O técnico de laboratório está descrevendo
uma área dessa lâmina.

E um laser, podem ver a luz azul
cortando ali ao redor,

tipo James Bond,
cortando uma parte disso.

E abaixo disso,
podem ver a luz azul de novo,

do microscópio em tempo real,

e ele está coletando esse tecido
num tubo microscópico.

Nós extraímos o RNA,

que é o produto dos genes
que são ativados,

e nós o marcamos
com uma marca fluorescente.

Agora o que estão vendo aqui

é uma constelação
do genoma humano inteiro

espalhado numa lâmina de vidro.

Esses pequenos pontos representam
os 25 mil genes.

Há cerca de 60 mil desses pontos,
e este RNA marcado por fluorescência

é colocado na lâmina de microscópio
e depois analisamos quantitativamente

quais genes são ativados e em que nível.

Então fazemos isso repetidas vezes
nos cérebros que coletamos.

Como mencionei,
coletamos seis cérebros no total.

Coletamos amostras
de cerca de mil estruturas de cada cérebro

que investigamos,
e é uma quantidade enorme de dados.

E juntamos tudo isso
de volta a um painel comum,

que é um recurso livre e gratuito
para cientistas ao redor do mundo usarem.

No Allen Institute for Brain Science,

estamos gerando esses tipos de recursos
de dados por quase uma década.

Eles são gratuitos para qualquer pessoa,
são ferramentas online.

Por exemplo,
hoje há cerca de mil visitantes

que vêm de laboratórios ao redor do mundo,
para usar nossos recursos e dados.

Eles acessam ferramentas como essa,
que os permitem ver

toda a anatomia e estrutura
que criamos antes

e começam a mapear as coisas
pelas quais têm mais interesse.

Então nesse caso, vemos a estrutura

e eles vão observar essas bolas coloridas

que representam um gene específico
de interesse deles

que está ativado ou não

nessas diversas áreas,
dependendo da cor especificada aqui.

E o que as pessoas fazem
quando começam a usar esses recursos?

Bem, uma das coisas
que vocês podem ouvir bastante

é sobre estudos genéticos em humanos.

Obviamente, se você está interessado
em compreender doenças,

há uma base genética para muitas delas.

Então você quer mais informação,
faz um estudo em larga escala

e obtém esses estudos de coleções de genes

e uma das primeiras coisas
que quer ter é mais informação.

Há uma coisa que posso aprender
sobre a localização desses genes

que me fornece pistas adicionais
para sua função,

maneiras pelas quais posso intervir
no processo da doença.

E também estão interessados em entender
a diversidade genética humana.

Nós observamos seis cérebros apenas,

mas, como sabemos,
cada ser humano é único.

Nós celebramos nossas diferenças.

Essa é uma foto da grande equipe
do Allen Institute for Brain Science,

que faz todo esse grande trabalho
do qual estou falando hoje.

Incrivelmente, quando olhamos
nesse nível de dados subjacentes,

e esses são muitos dados
de dois indivíduos não relacionados,

há um alto nível de correspondência.

Então isso é olhar para milhares
de medidas diferentes,

de expressões de genes
em muitas áreas diferentes do cérebro,

e há um alto nível de correspondência.
Isso foi bastante tranquilizador para nós.

Primeiro, porque quando geramos
dados nessa escala,

queremos que seja de alta qualidade,

então a reprodutibilidade
é muito importante.

Mas também foi importante
porque sentimos que isso

nos deu uma ótima foto instantânea
dentro do cérebro humano.

E as pessoas que usam nossos dados,
mesmo com poucos cérebros,

têm confiança de que aquilo
que estão vendo têm relevância.

Agora, nem tudo está correlacionado,
podemos ver algumas anomalias,

e essas anomalias serão interessantes
relacionadas às diferenças humanas.

Fizemos um estudo alguns anos atrás,

no qual tentamos entender
um pouco mais essas diferenças,

e observamos muitos indivíduos
e produtos de genes diferentes.

O que descobrimos,
como tendência e como regra,

é que essas diferenças tendem a estar
em populações celulares muito específicas,

ou tipos ou classes de células,
como mencionei antes.

Então, isso é um exemplo
de dois genes diferentes que são ativados

em camadas bem específicas do neocórtex

apenas em um indivíduo,
mas ausente em outro.

Não temos ideia
se é devido a mudanças ambientais,

influências do contexto
ou se é apenas genética,

mas fizemos um trabalho no qual
estudamos o camundongo há muitos anos

e estávamos buscando genes
que para codificar, nesse caso um DRD2,

o gene listado no topo
é um receptor de dopamina.

A tirosina hidroxilase, TH, é um gene
envolvido na síntese de dopamina

e esses dois produtos de genes
são muito diferentes nos tipos celulares

desses cérebros de camundongos.

Então, à esquerda está o C57 Black 6,
que é uma linhagem comum desses animais,

e no outro lado
está uma linhagem selvagem.

E quanto mais nos afastamos,
menos relacionados geneticamente somos.

E quando observamos o total entre eles,
um tipo de evolução, se preferirem,

nessa relação genética,

quanto menos relacionado geneticamente,

mais desses tipos celulares específicos,
mudanças específicas nós encontramos.

Para a próxima década, no Allen Institute,

estamos embarcando
num programa muito ambicioso

para começar a entender os tipos
celulares, as diferenças das células

e como elas se relacionam
com as propriedades funcionais do cérebro.

Isso é, creio, uma informação crítica
para todo o campo,

começar a ligar todas
essas partes fundamentais

que são as células,
em como estão conectadas,

as moléculas subjacentes
que regulam essas conexões,

as moléculas subjacentes que regulam
as propriedades eletrofisiológicas,

as propriedades eletroquímicas

e finalmente as propriedades
funcionais dessas células.

Então estamos fazendo isso
em três áreas de pesquisa diferentes.

Primeiro, estamos focando
o sistema visual do camundongo,

para observar, em tempo real,
no animal vivo,

as funções de uma variedade
de células diferentes.

Estamos ligando-as com esse conceito
no meio de tipos celulares,

tentando entender realmente
as moléculas subjacentes

em todas as propriedades
que se relacionam com essas funções

e depois vamos investigar no ser humano.

No ser humano estamos fazendo isso
tanto sobre tipos celulares

usando o trabalho de regulação do tecido
que já mencionei,

e também estamos fazendo in vitro,
usando tecnologia de células tronco.

Estamos aprendendo como fazer
tipos celulares muito específicos na placa

e depois seremos capazes de testar
essas propriedades funcionais

e voltar para o que aprendemos
com o camundongo e o ser humano.

Então, com isso gostaria de concluir
e dizer apenas que é uma época estimulante

para estudar biologia e as neurociências.

Acho que a tecnologia à mão
avançou muito além do lápis e papel,

e estamos na era da renascença
da compreensão desse órgão complexo.

Obrigado.

(Aplausos)