Ferramenta de IA revela projeto genético da maior ponte de comunicação do cérebro

Pela primeira vez, uma equipe de pesquisa liderada pelo Instituto de Neuroimagem e Informática Mark e Mary Stevens (Stevens INI) da Escola de Medicina Keck da USC mapeou a arquitetura genética de uma parte crucial do cérebro humano conhecida como corpo caloso – a espessa faixa de fibras nervosas que conecta os hemisférios esquerdo e direito do cérebro. As descobertas abrem novos caminhos para descobertas sobre doenças mentais, distúrbios neurológicos e outras doenças relacionadas a defeitos nesta parte do cérebro.

O corpo caloso é fundamental para quase tudo o que o cérebro faz, desde a coordenação do movimento dos nossos membros em sincronia até à integração de imagens e sons, até ao pensamento e tomada de decisões de ordem superior. Anormalidades em sua forma e tamanho têm sido associadas a distúrbios como TDAH, transtorno bipolar e doença de Parkinson. Até agora, os fundamentos genéticos desta estrutura vital permaneciam em grande parte desconhecidos.

No novo estudopublicado em Comunicações da Natureza, a equipe analisou tomografias cerebrais e dados genéticos de mais de 50.000 pessoas, desde a infância até o final da idade adulta, com a ajuda de uma nova ferramenta criada pela equipe que aproveita a inteligência artificial.

“Desenvolvemos uma ferramenta de IA que encontra o corpo caloso em diferentes tipos de ressonância magnética cerebral e faz suas medições automaticamente”, disse Shruti P. Gadewar, coautor do estudo e especialista em pesquisa do Stevens INI. Usando esta ferramenta, os pesquisadores identificaram dezenas de regiões genéticas que influenciam o tamanho e a espessura do corpo caloso e suas sub-regiões.

“Essas descobertas fornecem um modelo genético para uma das vias de comunicação mais essenciais do cérebro”, disse Ravi R. Bhatt, Ph.D., co-autor do estudo e pós-doutorado no Imaging Genetics Center do Stevens INI. “Ao descobrir como genes específicos moldam o corpo caloso e suas sub-regiões, podemos começar a entender por que as diferenças nesta estrutura estão ligadas a várias condições neurológicas e de saúde mental em nível molecular”.

O estudo revelou que diferentes conjuntos de genes governam a área versus a espessura do corpo caloso – duas características que mudam ao longo da vida e desempenham papéis distintos na função cerebral. Vários dos genes implicados estão ativos durante o desenvolvimento pré-natal do cérebro, particularmente em processos como crescimento celular, morte celular programada e fiação de fibras nervosas através dos hemisférios.

“Este trabalho demonstra o poder do uso de IA e bancos de dados em grande escala para descobrir os fatores genéticos que impulsionam o desenvolvimento do cérebro”, disse Neda Jahanshad, Ph.D., professora associada de neurologia e autora sênior. “Ao ligar a genética à estrutura cerebral, obtemos uma visão crítica sobre as vias biológicas que podem estar subjacentes às doenças psiquiátricas e neurológicas”.

Notavelmente, o estudo descobriu sobreposição genética entre o corpo caloso e o córtex cerebral – a camada externa do cérebro responsável pela memória, atenção e linguagem – bem como com condições como TDAH e transtorno bipolar.

“Essas conexões ressaltam que os mesmos fatores genéticos que moldam a ponte de comunicação do cérebro também podem contribuir para a vulnerabilidade de certos distúrbios”, acrescentou Jahanshad.

Arthur W. Toga, Ph.D., diretor do Stevens INI, enfatizou as implicações mais amplas desta pesquisa, afirmando: “Este estudo é um marco na compreensão de como nossos cérebros são construídos. Ele não apenas esclarece o desenvolvimento normal do cérebro, mas também nos ajuda a identificar novos caminhos para diagnosticar e potencialmente tratar doenças que afetam milhões de pessoas em todo o mundo”.

Os pesquisadores disponibilizaram publicamente sua nova ferramenta baseada em IA para acelerar futuras descobertas. O software, desenvolvido no Stevens INI, usa aprendizado de máquina avançado para identificar e medir automaticamente o corpo caloso em exames de ressonância magnética. Esta abordagem permite aos cientistas analisar a estrutura cerebral numa escala e nível de precisão sem precedentes, reduzindo anos de trabalho manual a apenas horas.

O Stevens INI tornou-se líder global na aplicação de inteligência artificial à neurociência, desenvolvendo ferramentas que são compartilhadas gratuitamente com a comunidade de pesquisa. Ao combinar enormes conjuntos de dados com métodos computacionais de ponta, o instituto está transformando a forma como os cientistas estudam a saúde e as doenças do cérebro.

“A inteligência artificial está revolucionando a pesquisa sobre o cérebro e o Stevens INI está na vanguarda dessa revolução”, disse Toga. “Ao sermos pioneiros em ferramentas de IA e torná-las amplamente disponíveis, estamos capacitando cientistas de todo o mundo a desbloquear novas descobertas sobre o cérebro com muito mais rapidez do que nunca.”