Esta imagem poderia ser pendurado em uma galeria, mas começou a vida como um pequeno pedaço do cérebro de uma mulher. Em 2014, uma mulher que estava passando por uma cirurgia para epilepsia teve um pequeno pedaço de seu córtex cerebral removido. Este milímetro cúbico de tecido permitiu que pesquisadores de Harvard e do Google produzissem o diagrama de fiação mais detalhado do cérebro humano que o mundo já viu.
Biólogos e especialistas em aprendizagem de máquina passaram 10 anos construindo uma mapa interativo do tecido cerebral, que contém aproximadamente 57.000 células e 150 milhões de sinapses. Ele mostra células que se enrolam em si mesmas, pares de células que parecem espelhadas e “objetos” em forma de ovo que, de acordo com a pesquisa, desafiam a categorização. Espera-se que este diagrama incrivelmente complexo ajude a impulsionar a pesquisa científica, desde a compreensão dos circuitos neurais humanos até tratamentos potenciais para distúrbios.
“Se mapearmos as coisas em uma resolução muito alta, vermos todas as conexões entre diferentes neurônios e analisarmos isso em larga escala, poderemos identificar regras de fiação”, diz Daniel Berger, um dos principais pesquisadores do projeto e especialista em conectômica, que é a ciência de como neurônios individuais se conectam para formar redes funcionais. “A partir disso, poderemos criar modelos que expliquem mecanicamente como o pensamento funciona ou como a memória é armazenada.”
Jeff Lichtman, professor de biologia molecular e celular em Harvard, explica que pesquisadores em seu laboratório, liderados por Alex Shapson-Coe, criaram o mapa cerebral tirando fotos subcelulares do tecido usando microscopia eletrônica. O tecido do cérebro da mulher de 45 anos foi corado com metais pesados, que se ligam às membranas lipídicas nas células. Isso foi feito para que as células fossem visíveis quando vistas através de um microscópio eletrônico, pois os metais pesados refletem os elétrons.
O tecido foi então incorporado em resina para que pudesse ser cortado em fatias realmente finas, com apenas 34 nanômetros de espessura (em comparação, a espessura de um pedaço de papel típico é de cerca de 100.000 nanômetros). Isso foi feito para tornar o mapeamento mais fácil, diz Berger — para transformar um problema 3D em um problema 2D. Depois disso, a equipe tirou imagens de microscópio eletrônico de cada fatia 2D, o que totalizou 1,4 petabytes de dados.
Uma vez que os pesquisadores de Harvard tiveram essas imagens, eles fizeram o que muitos de nós fazemos quando enfrentamos um problema: eles recorreram ao Google. Uma equipe da gigante da tecnologia liderada por Viren Jain alinhou as imagens 2D usando algoritmos de aprendizado de máquina para produzir reconstruções 3D com segmentação automática, que é onde os componentes dentro de uma imagem — por exemplo, diferentes tipos de células — são automaticamente diferenciados e categorizados. Parte da segmentação exigiu o que Lichtman chamou de “dados de verdade básica”, que envolveu Berger (que trabalhou em estreita colaboração com a equipe do Google) redesenhando manualmente parte do tecido para informar melhor os algoritmos.
A tecnologia digital, explica Berger, permitiu que ele visse todas as células nessa amostra de tecido e as colorisse de forma diferente, dependendo do tamanho. Métodos tradicionais de geração de imagens de neurônios, como a coloração de amostras com uma substância química conhecida como coloração de Golgi, que tem sido usada por mais de um século, deixam alguns elementos do tecido nervoso ocultos.
