Atlas detalhado do crescimento cerebral em ratos oferece insights sobre o desenvolvimento do cérebro

O crescimento e a maturação do cérebro não progridem de forma linear e gradual. Em vez disso, é uma sequência dinâmica e coreografada que muda em resposta à genética e a estímulos externos, como visão e som. Este é o primeiro gráfico de crescimento de alta resolução que explica as mudanças nos principais tipos de células cerebrais no cérebro de camundongos em desenvolvimento, liderado por uma equipe da Penn State College of Medicine e do Allen Institute for Brain Science.

Usando técnicas avançadas de imagem, os pesquisadores construíram uma série de atlas 3D que são como mapas do cérebro com lapso de tempo durante as primeiras duas semanas após o nascimento, oferecendo uma visão incomparável de um período crítico do desenvolvimento do cérebro. É uma ferramenta poderosa para compreender o desenvolvimento saudável do cérebro e os distúrbios do neurodesenvolvimento, explicaram os pesquisadores.

O estudo, publicado em Comunicações da Naturezatambém detalhou como as regiões do cérebro mudam de volume e explicou a mudança na densidade dos principais tipos de células dentro delas.

“A resolução dos gráficos de crescimento cerebral existentes é fraca, como uma foto borrada. Criamos um gráfico de crescimento cerebral na resolução de células individuais. É como uma foto de alta definição onde os detalhes aparecem nítidos e em foco”, disse Yongsoo Kim, professor de neurociência e terapêutica experimental na Penn State College of Medicine e autor sênior do artigo.

O cérebro do rato é um modelo de mamífero para o cérebro humano, com química cerebral e circuitos neurais semelhantes conservados entre os dois. Esta fase pós-natal precoce em ratos é aproximadamente equivalente ao período crucial de desenvolvimento entre o final da gravidez e a primeira infância em humanos, explicaram os investigadores. O cérebro não apenas amadurece rapidamente durante essa janela, mas também é quando o cérebro começa a responder e se adaptar a estímulos externos, como visão e som, moldando onde o cérebro se expande em volume e como o cérebro está conectado.

“É também quando muitos distúrbios do neurodesenvolvimento, como o transtorno do espectro do autismo, começam a se desenvolver. Esses distúrbios podem surgir de fatores de risco genéticos e ambientais, mas se um problema aparecer durante a fase pós-natal inicial, ele pode se espalhar à medida que o desenvolvimento do cérebro continua”, disse Kim. “As áreas com expansão mais rápida provavelmente serão as mais vulneráveis”.

Os pesquisadores capturaram imagens de todo o cérebro do rato em dias alternados, desde o quarto dia pós-natal até as duas semanas, para criar o gráfico de crescimento 3D de alta resolução. Eles usaram tomografia serial de dois fótons, uma técnica avançada de imagem que examina todo o cérebro com detalhes microscópicos. Esta técnica permite aos pesquisadores visualizar células individuais em sua localização precisa no cérebro.

O crescimento não é uniforme em todo o cérebro, segundo os pesquisadores. Eles descobriram que o volume do cerebelo aumentou mais durante o período pós-natal inicial. Esta é a parte do cérebro na parte de trás da cabeça que ajusta o movimento, coordena o equilíbrio e está envolvida em algumas funções cognitivas.

Os pesquisadores também estudaram dois tipos específicos de células que desempenham um papel fundamental na formação dos circuitos que transmitem e processam informações no cérebro. Eles rastrearam como a densidade desses tipos de células mudou em diferentes regiões do cérebro para compreender melhor a trajetória normal de desenvolvimento do cérebro.

Os neurônios GABAérgicos são células nervosas inibitórias que atuam como freios no cérebro e desempenham um papel fundamental na comunicação no cérebro. Kim explicou que os distúrbios do neurodesenvolvimento estão frequentemente associados a sistemas de freio quebrados, e é por isso que a equipe queria ver como os tipos de células GABA se povoam no cérebro.

Eles observaram que a densidade dos neurônios GABAérgicos diminuiu significativamente no córtex – a região mais externa do cérebro – estabilizando por volta do 12º dia pós-natal. Em contraste, a densidade desses neurônios aumentou acentuadamente no corpo estriado, uma estrutura na parte profunda do cérebro envolvida no movimento e na recompensa. Os resultados sugerem que o desenvolvimento e a população destas células são dinâmicos e continuam após o nascimento.

O segundo tipo de célula que examinaram é a microglia, as células imunológicas do cérebro. Kim descreveu essas células como semelhantes às dos jardineiros. Seu principal papel durante o desenvolvimento é podar células e conexões desnecessárias, moldando e ajustando a fiação do cérebro.

Microglia também mostrou uma mudança notável. Até o oitavo dia pós-natal, essas células estão fortemente povoadas na substância branca do cérebro, tecido composto por grandes redes de fibras nervosas que facilitam a comunicação entre diferentes partes do cérebro. Por volta do 10º dia pós-natal, a população de microglia na substância branca diminui drasticamente e começa a se expandir na substância cinzenta do cérebro, que é composta principalmente por células nervosas.

Microglia também parece povoar áreas mais densamente que processam informações sensoriais na época em que os olhos e ouvidos dos ratos começam a se abrir. Embora Kim tenha dito que ainda não sabem o significado desta mudança, ela sugere que a microglia pode participar na maturação do cérebro em resposta a estímulos externos experimentados após o nascimento, como visão e audição.

A equipe também criou um arquivo disponível publicamente, versão interativa dos atlas e gráficos de crescimento para facilitar o compartilhamento e a colaboração de dados.

“O verdadeiro significado deste artigo é que fornecemos uma estrutura espacial para que outras pessoas possam começar a fazer análises integrativas de alto nível, que combinam dados moleculares, celulares e espaciais para fornecer uma imagem mais completa do cérebro e do desenvolvimento”, disse Kim.