Software de código aberto revela arquitetura 3D completa de células cerebrais

Os neurônios em nosso cérebro que sustentam o pensamento se conectam uns aos outros usando pequenas estruturas semelhantes a ramos em suas superfícies, conhecidas como espinhas dendríticas. Agora, os cientistas do Instituto Zuckerman de Columbia e os seus colegas criaram um novo software poderoso, impulsionado pela inteligência artificial, que pode mapear automaticamente estas espinhas dendríticas em imagens de neurónios, uma ferramenta que os investigadores estão a disponibilizar gratuitamente.

Um artigo detalhando o trabalho, “Um pipeline de aprendizado profundo para restauração, segmentação e quantificação precisa e automatizada de espinhas dendríticas”, é publicado publicado em Métodos de relatórios de células.

“As espinhas dendríticas são geralmente o primeiro local implicado em doenças neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson”, disse Sergio Bernal-Garcia, estudante de graduação no laboratório de Franck Polleux, Ph.D., e autor principal do artigo. “Portanto, entender mais sobre eles é de vital importância.”

Atualmente, as espinhas dendríticas são contadas principalmente manualmente. A análise meticulosa de centenas de imagens de neurônios pode levar semanas ou meses. Com a nova ferramenta, chamada RESPAN (restauração aprimorada de análise de coluna e neurônios), “leva apenas alguns minutos no computador”, disse Bernal-Garcia.

O RESPAN pode identificar automaticamente uma espinha dendrítica, medindo seu volume, comprimento e área de superfície. O software pode exibir a localização da coluna vertebral na célula e calcular a distância da parte central da célula, e fazê-lo em animais vivos. Ele também fornece várias etapas opcionais de restauração de imagens para ajudar a analisar imagens especialmente desafiadoras e maneiras para os usuários treinarem seu software em seus conjuntos de dados exclusivos.

O RESPAN não apenas superou a análise manual, mas também se mostrou mais preciso do que as ferramentas anteriores de análise de neurônios, detectando menos falsos positivos e negativos.

“Ao usar nossa ferramenta disponível gratuitamente, os pesquisadores podem melhorar muito a consistência e a confiança em seus resultados, ajudando a enfrentar a crise de reprodutibilidade na ciência biomédica”, disse o autor sênior e correspondente do estudo Luke Hammond, ex-diretor da plataforma de imagem celular do Instituto Zuckerman e agora diretor de imagem quantitativa no departamento de neurologia do Wexner Medical Center da Universidade Estadual de Ohio.

Os pesquisadores procuraram tornar o RESPAN o mais fácil de usar possível. “Os cientistas muitas vezes recorrem a abordagens manuais porque os pacotes de software existentes para a tarefa carecem de funcionalidade ou têm precisão limitada ao analisar imagens difíceis”, disse Hammond.

“É importante ressaltar que os usuários não precisam conhecer nenhuma codificação para usar o RESPAN, e temos um tutorial no YouTube para orientar os usuários em cada etapa.”

Com uma nova ferramenta que pode mapear rápida e automaticamente cada espinha dendrítica de um neurônio, os pesquisadores esperam poder fazer novas descobertas.

“Ao mapear espacialmente cada coluna vertebral de um neurônio, podemos agora descobrir se certos locais são mais suscetíveis a doenças e começar a perguntar se as espinhas em diferentes áreas têm assinaturas moleculares distintas”, disse Bernal-Garcia.

RESPAN pode ser executado em um PC ou laptop com GPU NVIDIA. O software é de código aberto, o que significa que outros são livres para mexer nele como quiserem. “Encorajamos a comunidade a adaptar e melhorar o RESPAN”, disse Bernal-Garcia.