Cientistas japoneses acabaram de construir circuitos cerebrais humanos em laboratório

O estudo foi publicado na revista Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América.

Por que os circuitos neurais corticais são importantes

O córtex cerebral contém muitos tipos diferentes de neurônios que devem comunicar-se efetivamente entre si e com outras regiões do cérebro. Essas conexões são essenciais para as funções cerebrais centrais, incluindo percepção, pensamento e cognição.

Em pessoas com condições de neurodesenvolvimento, como o transtorno do espectro do autismo (TEA), esses circuitos corticais geralmente se desenvolvem ou funcionam de maneira anormal. Por causa disso, compreender como os circuitos neurais se formam e amadurecem é fundamental para descobrir as raízes biológicas desses distúrbios e para desenvolver novos tratamentos.

O tálamo e seu papel na fiação cerebral

Pesquisas anteriores em roedores mostraram que o tálamo desempenha um papel importante na organização dos circuitos neurais no córtex. No entanto, a forma como o tálamo e o córtex interagem durante a formação do circuito no cérebro humano permanece em grande parte desconhecida.

Estudar esse processo diretamente em humanos é difícil devido às limitações éticas e técnicas na obtenção de tecido cerebral. Para superar esses desafios, os cientistas recorreram aos organoides, que são estruturas tridimensionais cultivadas a partir de células-tronco que se assemelham a órgãos reais.

De Organoides a Assembloides

Embora os organoides sejam úteis, um único organoide não pode capturar as interações complexas entre as diferentes regiões do cérebro. Para estudar a formação de circuitos neurais de forma mais realista, os pesquisadores usam assemblóides, que são criados pela combinação física de dois ou mais organoides.

O professor Fumitaka Osakada, o estudante de graduação Masatoshi Nishimura e seus colegas da Escola de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas da Universidade de Nagoya desenvolveram assemblóides que modelam as interações entre o tálamo e o córtex.

A equipe primeiro gerou organoides corticais e talâmicos separados a partir de células iPS humanas. Esses organoides foram então fundidos, permitindo aos pesquisadores observar como as duas regiões do cérebro interagem à medida que se desenvolvem.

Mini circuitos cerebrais que se comportam como reais

Os pesquisadores observaram que as fibras nervosas do tálamo cresciam em direção ao córtex, enquanto as fibras corticais se estendiam em direção ao tálamo. Essas fibras formavam sinapses entre si, assemelhando-se muito às conexões observadas no cérebro humano.

Para avaliar como esta interação afetou o desenvolvimento, a equipe comparou a expressão genética na região cortical do assemblóide com a de um organoide cortical autônomo. O tecido cortical conectado ao tálamo apresentou sinais de maior maturidade, indicando que a comunicação do córtex tálamo promove o crescimento e desenvolvimento cortical.

Sinais talâmicos impulsionam a sincronia neural

Os cientistas também examinaram como os sinais viajavam através do assemblóide. Eles descobriram que a atividade neural se espalhava do tálamo para o córtex em padrões ondulatórios, criando atividade sincronizada através de redes corticais.

Para entender quais neurônios estavam envolvidos, a equipe mediu a atividade em três tipos principais de neurônios excitatórios corticais: intratelencefálico (IT), trato piramidal (PT) e corticotalâmico (CT).

Atividade sincronizada foi observada em neurônios PT e CT, ambos enviando sinais de volta ao tálamo. Os neurônios IT, que não se projetam para o tálamo, não apresentaram a mesma sincronização. Isto sugere que a entrada talâmica fortalece seletivamente tipos específicos de neurônios, ajudando-os a formar redes coordenadas e a amadurecer funcionalmente.

Uma nova ferramenta para estudar distúrbios cerebrais

Ao recriar com sucesso circuitos neurais humanos usando assembloides, os pesquisadores estabeleceram uma nova plataforma poderosa para estudar como os circuitos cerebrais se formam, funcionam e diferem entre os tipos de células.

Osakada explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Fizemos progressos significativos na abordagem construtivista para a compreensão do cérebro humano, reproduzindo-o. Acreditamos que estas descobertas ajudarão a acelerar a descoberta de mecanismos subjacentes a distúrbios neurológicos e psiquiátricos, bem como o desenvolvimento de novas terapias”.