Além das placas amilóides: a IA revela alterações químicas ocultas no cérebro do Alzheimer

Usando um método avançado de imagem baseado em luz combinado com aprendizado de máquina, a equipe examinou tecido cerebral de animais saudáveis ​​e afetados por Alzheimer. Seus resultados, publicados em Materiais e Interfaces Aplicados ACSrevelam que as alterações químicas ligadas à doença de Alzheimer não se limitam às placas amilóides. Em vez disso, estas alterações aparecem em todo o cérebro em padrões desiguais e complexos.

Imagens a laser revelam a química cerebral em detalhes

Para detectar essas mudanças sutis, os cientistas recorreram à imagem Raman hiperespectral. Esta forma sofisticada de espectroscopia Raman usa um laser para detectar impressões digitais químicas únicas de moléculas dentro do tecido.

“A espectroscopia Raman tradicional faz uma medição da informação química por sítio molecular”, disse Ziyang Wang, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação na Rice, que é o primeiro autor do estudo. “A imagem hiperespectral Raman repete essa medição milhares de vezes em uma fatia inteira de tecido para construir um mapa completo. O resultado é uma imagem detalhada que mostra como a composição química varia em diferentes regiões do cérebro.”

Os pesquisadores escanearam cérebros inteiros, fatia por fatia, compilando milhares de medições sobrepostas para construir mapas moleculares de alta resolução de tecidos saudáveis ​​e doentes. Como a imagem não continha rótulos, as amostras não foram tratadas com corantes, proteínas fluorescentes ou marcadores moleculares.

“Isso significa que observamos o cérebro como ele é, capturando um retrato completo e inalterado de sua composição química”, disse Wang. “Acho que isso torna a abordagem mais imparcial e mais adequada para descobrir novas alterações relacionadas a doenças que, de outra forma, poderiam passar despercebidas”.

Aprendizado de máquina mapeia danos desiguais do Alzheimer

O processo de imagem gerou enormes quantidades de dados, que a equipe analisou usando aprendizado de máquina (ML). Eles primeiro aplicaram ML não supervisionado, permitindo que algoritmos detectassem padrões naturais nos sinais químicos sem suposições prévias. Esses modelos classificaram os tecidos com base inteiramente em suas características moleculares. Os pesquisadores então usaram modelos de treinamento de ML supervisionado para distinguir entre amostras com Alzheimer e sem Alzheimer. Esta etapa ajudou a determinar quão fortemente as diferentes regiões do cérebro refletiam a química relacionada ao Alzheimer.

“Descobrimos que as alterações causadas pela doença de Alzheimer não se espalham uniformemente pelo cérebro”, disse Wang. “Algumas regiões apresentam fortes alterações químicas, enquanto outras são menos afetadas. Este padrão desigual ajuda a explicar por que os sintomas aparecem gradualmente e por que os tratamentos que se concentram em apenas um problema tiveram sucesso limitado”.

Perturbação Metabólica em Regiões de Memória

Além do acúmulo de proteínas, o estudo identificou diferenças metabólicas mais amplas entre cérebros saudáveis ​​e com Alzheimer. Os níveis de colesterol e glicogênio variaram entre as regiões, com os contrastes mais dramáticos aparecendo em áreas responsáveis ​​pela memória, particularmente o hipocampo e o córtex.

“O colesterol é importante para manter a estrutura das células cerebrais, e o glicogênio serve como reserva de energia local”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia e autor correspondente do estudo. “Juntas, estas descobertas apoiam a ideia de que a doença de Alzheimer envolve perturbações mais amplas na estrutura cerebral e no equilíbrio energético, não apenas na acumulação e no desdobramento de proteínas”, acrescentou Huang, que também é membro do Instituto Ken Kennedy, do Instituto de Materiais Avançados do Rice e do Instituto Smalley-Curl.

Uma visão mais ampla da progressão do Alzheimer

O projeto surgiu de discussões contínuas sobre novas formas de estudar o cérebro da pessoa com Alzheimer.

“No início, medimos apenas pequenas áreas de tecido cerebral”, disse Wang. “Então pensei: e se pudéssemos mapear todo o cérebro e obter uma visão muito mais ampla? Foram necessárias várias rodadas de testes e tentativas e erros antes que as medições e análises funcionassem bem juntas.”

Quando o mapa químico completo finalmente foi reunido, o impacto foi imediato.

“Surgiram padrões que não eram visíveis em imagens regulares”, disse Wang. “Ver esses resultados foi profundamente satisfatório. Foi como revelar uma camada oculta de informações que estava lá o tempo todo, esperando pela maneira certa de ser analisada.”

Ao fornecer os primeiros mapas químicos detalhados e sem corantes do cérebro da doença de Alzheimer, esta investigação oferece uma visão mais abrangente da doença. A equipe espera que as descobertas apoiem um diagnóstico mais precoce e estratégias mais eficazes para retardar a progressão.

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1934977), pelos Institutos Nacionais de Saúde (1R01AG077016) e pela Fundação Welch (C2144).