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A rede das conexões entre os neurônios revela como os circuitos do cérebro são organizados

Mesmo as redes as mais simples dos neurônios no cérebro são compor de milhões de conexões, e examinar estas redes vastas é crítico a compreender como os trabalhos de cérebro. Uma equipe internacional dos pesquisadores, conduzida por R. Argila Reid, por Lee de Wei Chung Allen e por Vincent Bonin do instituto para a ciência de cérebro, Faculdade de Medicina de Harvard e pesquisa Flanders de Allen da Neuro-Eletrônica (NERF), respectivamente, publicou a rede a maior até agora das conexões entre os neurônios no córtice, onde o processamento de nível elevado ocorre, e revelou diversos elementos cruciais de como as redes no cérebro são organizadas. Os resultados são publicados esta semana na natureza do jornal.

“Este é um ponto culminante de um programa de investigação que comece quase dez anos há. As redes do cérebro são demasiado grandes e complexas compreender aos poucos, assim que nós usamos técnicas da alto-produção para recolher séries de dados enormes da actividade de cérebro e fiação do cérebro,” diz R. Argila Reid, M.D., Ph.D., investigador superior no instituto de Allen para a ciência de cérebro. “Mas nós estamos encontrando que o esforço é absolutamente de valor e que nós estamos aprendendo uma quantidade enorme sobre a estrutura das redes no cérebro, e finalmente como a estrutura do cérebro é ligada a sua função.”

“Embora este estudo é um momento do marco em um capítulo substancial do trabalho, é apenas o começo,” diz o Lee de Wei-Chung, o Ph.D., o instrutor na neurobiologia na escola da medicina de Harvard e o autor principal no papel. “Nós temos agora as ferramentas para empreender a engenharia reversa o cérebro descobrindo relacionamentos entre a fiação do circuito e as computações neuronal e da rede.”

“Por décadas, os pesquisadores estudaram a actividade de cérebro e fiação no isolamento, incapaz de ligar os dois,” diz Vincent Bonin, investigador principal na pesquisa Flanders da Neuro-Eletrônica. “O que nós conseguimos é construir uma ponte sobre estes dois reinos com o detalhe inaudito, ligando a actividade elétrica nos neurônios com as conexões que synaptic do nanoscale fazem um com o outro.”

“Nós encontramos alguma da primeira evidência anatômica para a arquitetura modular em uma rede cortical assim como a base estrutural para a conectividade funcional específica entre os neurônios,” o Lee adiciona. “As aproximações que nós nos usamos permitiram que nós definissem os princípios de organização de circuitos neurais. Nós poised agora para descobrir os motivos corticais da conectividade, que podem actuar enquanto os blocos de apartamentos para a rede cerebral funcionam.”

O Lee e Bonin começaram identificando os neurônios no córtice visual do rato que respondeu aos estímulos visuais particulares, tais como barras verticais ou horizontais em uma tela. O Lee então fez fatias ultra-finas do cérebro e capturou milhões de imagens detalhadas daquelas pilhas visadas e sinapses, que foram reconstruídas então em três dimensões. As equipes dos anotadores em ambas as costas dos Estados Unidos seguiram simultaneamente os neurônios individuais através das pilhas 3D de imagens e encontraram conexões entre os neurônios individuais.

Analisar esta riqueza dos dados rendeu diversos resultados, incluindo a primeira evidência estrutural directa para apoiar a ideia que os neurônios que fazem tarefas similares são mais prováveis ser conectados entre si do que os neurônios que realizam tarefas diferentes. Além disso, aquelas conexões são maiores, apesar do facto de que tangled com muitos outros neurônios que executam funções totalmente diferentes.

A “parte do que faz este estudo original é a combinação de imagem lactente funcional e de microscopia detalhada,” diz Reid. “Os dados microscópicos são de escala e de detalhe inauditos. Nós ganhamos algum conhecimento muito poderoso primeiramente aprendendo que função um neurônio particular executa, e então vendo como conecta com os neurônios que fazem coisas similares ou dissimilares.

“É como uma orquestra sinfónica com os jogadores que sentam-se em assentos aleatórios,” Reid adiciona. “Se você escuta somente alguns músicos próximos, não fará o sentido. Escutando todos, você compreenderá a canção; torna-se realmente mais simples. Se você pergunta então quem cada músico está escutando, você pôde mesmo figurar para fora como faz a canção. Não há nenhum condutor, assim que a orquestra precisa de comunicar-se.”

Esta combinação de métodos será empregada igualmente em um projecto contratante IARPA com o instituto de Allen para a ciência de cérebro, a faculdade de Baylor da medicina, e a Universidade de Princeton, que procura escalar estes métodos a um segmento maior do tecido de cérebro. Os dados do estudo actual estão sendo feitos acessíveis em linha para que outros pesquisadores investiguem.

Source:

Allen Institute