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Conectoma

Um conectoma é um mapa detalhado de conexões neurais no cérebro, e pode ser pensado como o seu "esquema de ligação". O sistema nervoso de um organismo é formado por neurônios que se comunicam por meio de sinapses. Um conectoma é construído traçando o neurônio em um sistema nervoso e mapeando onde os neurônios estão conectados através de sinapses.

Tratos de substância branca dentro de um cérebro humano, conforme visualizado por tractografia de ressonância magnética

A relevância do conectoma decorre da percepção de que a estrutura e a função do cérebro humano estão intrinsecamente ligadas, através de vários níveis e modos de conectividade cerebral. Existem fortes restrições naturais sobre quais neurônios ou populações neurais podem interagir, ou quão fortes ou diretas são suas interações. De fato, a base da cognição humana está no padrão de interações dinâmicas moldadas pelo conectoma.

Origem e uso do termo editar

Em 2005, o Dr. Olaf Sporns da Universidade de Indiana e o Dr. Patric Hagmann do Lausanne University Hospital sugeriram de forma independente e simultânea o termo "conectoma" para se referir a um mapa das conexões neurais dentro do cérebro. Este termo foi inspirado diretamente pelo esforço contínuo para sequenciar o código genético humano — para construir um genoma.

A Conectômica foi definida como a ciência preocupada com a montagem e análise de conjuntos de dados de conectomas.[1]

Métodos editar

As redes cerebrais podem ser definidas em diferentes níveis de escala, correspondendo aos níveis de resolução espacial em imagens cerebrais.[2][3] Essas escalas podem ser divididas em microescala, mesoescala e macroescala. Em última análise, pode ser possível unir mapas conectômicos obtidos em diferentes escalas em um único mapa hierárquico da organização neural de uma determinada espécie que varia de neurônios únicos a populações de neurônios a sistemas maiores, como áreas corticais. Dadas as incertezas metodológicas envolvidas na inferência de conectividade dos dados experimentais primários, e dado que provavelmente haverá grandes diferenças nos conectomas de diferentes indivíduos, qualquer mapa unificado provavelmente dependerá de representações probabilísticas de dados de conectividade (Sporns et al., 2005).[4]

Avanços recentes no mapeamento de conectividade editar

 
Reconstrução tractográfica de conexões neurais via MRI de difusão

Ao longo dos anos 2000, vários pesquisadores tentaram mapear a arquitetura estrutural em larga escala do córtex cerebral humano. Uma tentativa explorou as correlações cruzadas na espessura ou volume cortical entre os indivíduos.[5] Tais correlações de espessura de matéria cinzenta têm sido postuladas como indicadores da presença de conexões estruturais. Uma desvantagem da abordagem é que ela fornece informações altamente indiretas sobre padrões de conexão cortical e requer dados de um grande número de indivíduos para derivar um único conjunto de dados de conexão em um grupo de sujeitos. Outros pesquisadores tentaram construir matrizes de conexão de todo o cérebro a partir de dados de imagem DW-MRI.

Conjuntos de dados editar

Humanos editar

O Human Connectome Project, patrocinado pelo National Institutes of Health (NIH) dos EUA, foi criado com o objetivo de mapear os 86 bilhões de neurônios (e suas conexões) em um cérebro humano.[6]

Organismos Modelo editar

Nematoda editar

O primeiro (e até agora único) conectoma totalmente reconstruído pertence ao nematoda Caenorhabditis elegans. O maior esforço começou com as primeiras micrografias eletrônicas publicadas por White, Brenner e colegas em 1986.[7] Com base neste trabalho seminal, o primeiro conectoma (então chamado de "banco de dados de circuitos neurais" pelos autores) para C. elegans foi publicado em forma de livro com o acompanhamento de disquetes por Achacoso e Yamamoto em 1992.[8][9] O primeiro artigo sobre a representação computacional de seu conectoma foi apresentado e publicado três anos antes, em 1989, por Achacoso no Simpósio de Aplicação Computacional em Cuidados Médicos (SCAMC).[10] O conectoma do C. elegans foi posteriormente revisado[11][12] e expandido para mostrar mudanças durante o desenvolvimento do animal.[13][14]

Mosca da fruta editar

Diferentes seções de tecido nervoso de moscas da fruta estão sendo mapeadas, incluindo uma seção parcial do cérebro ("o hemicérebro") [15] e todo o cordão nervoso ventral.[16]

Camundongo editar

Conectomas parciais de uma retina[17] e córtex visual primário de camundongo[18] também foram construídos com sucesso.

Plasticidade do conectoma editar

No início do projeto conectoma, pensava-se que as conexões entre os neurônios eram imutáveis uma vez estabelecidas e que apenas as sinapses individuais poderiam ser alteradas.[4] No entanto, evidências recentes sugerem que a conectividade também está sujeita a mudanças, denominadas neuroplasticidade. Existem duas maneiras pelas quais o cérebro pode religar: formação e remoção de sinapses em uma conexão estabelecida ou formação ou remoção de conexões inteiras entre neurônios.[19] Ambos os mecanismos de religação são úteis para aprender tarefas completamente novas que podem exigir conexões inteiramente novas entre regiões do cérebro.[20]

Mapeamento da conectividade funcional editar

Usando fMRI no estado de repouso e durante tarefas, as funções dos circuitos do conectoma estão sendo estudadas.[21] Assim como mapas detalhados de estradas não nos dizem muito sobre o tipo de veículos que trafegam por essas estradas ou que carga estão transportando, para entender como as estruturas neurais resultam em comportamentos funcionais específicos, como a consciência, é necessário construir teorias que relacionam funções à conectividade anatômica.[22] No entanto, a ligação entre conectividade estrutural e funcional não é simples. Modelos computacionais da dinâmica da rede de todo o cérebro são ferramentas valiosas para investigar o papel da rede anatômica na modelagem da conectividade funcional.[23][24] Em particular, modelos computacionais podem ser usados para prever o efeito dinâmico de lesões no conectoma.[25][26]

Ver também editar

Referências editar

  1. ↑ Hagmann, Patric. From diffusion MRI to brain connectomics (Tese). doi:10.5075/epfl-thesis-3230 
  2. ↑ Kötter, Rolf (2007). «Anatomical Concepts of Brain Connectivity». Handbook of Brain Connectivity. Col: Understanding Complex Systems. [S.l.: s.n.] pp. 149–67. ISBN 978-3-540-71462-0. doi:10.1007/978-3-540-71512-2_5 
  3. ↑ Sporns, Olaf (2011). Networks of the Brain. Cambridge, Mass.: MIT Press. ISBN 978-0-262-01469-4 
  4. ↑ a b Sporns O, Tononi G, Kötter R (setembro de 2005). «The human connectome: A structural description of the human brain». PLOS Computational Biology. 1 (4): e42. Bibcode:2005PLSCB...1...42S. PMC 1239902 . PMID 16201007. doi:10.1371/journal.pcbi.0010042   
  5. ↑ He Y, Chen ZJ, Evans AC (outubro de 2007). «Small-world anatomical networks in the human brain revealed by cortical thickness from MRI». Cerebral Cortex. 17 (10): 2407–19. PMID 17204824. doi:10.1093/cercor/bhl149  
  6. ↑ Jensen, K. Thor (8 de maio de 2020). «Will We Ever Be Able to Upload Our Brains?». PCMAG. Consultado em 28 de março de 2021 
  7. ↑ White JG, Southgate E, Thomson JN, Brenner S (novembro de 1986). «The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 314 (1165): 1–340. Bibcode:1986RSPTB.314....1W. PMID 22462104. doi:10.1098/rstb.1986.0056 
  8. ↑ «Ay's Neuroanatomy of C. elegans for Computation». CRC Press (em inglês). Consultado em 15 de outubro de 2019 
  9. ↑ Yamamoto, William S.; Achacoso, Theodore B. (1 de junho de 1992). «Scaling up the nervous system of Caenorhabditis elegans: Is one ape equal to 33 million worms?». Computers and Biomedical Research. 25 (3): 279–291. ISSN 0010-4809. PMID 1611892. doi:10.1016/0010-4809(92)90043-A 
  10. ↑ Achacoso, Theodore B.; Fernandez, Victor; Nguyen, Duc C.; Yamamoto, William S. (8 de novembro de 1989). «Computer Representation of the Synaptic Connectivity of Caenorhabditis Elegans». Proceedings of the Annual Symposium on Computer Application in Medical Care: 330–334. ISSN 0195-4210. PMC 2245716  
  11. ↑ Varshney LR, Chen BL, Paniagua E, Hall DH, Chklovskii DB (fevereiro de 2011). «Structural properties of the Caenorhabditis elegans neuronal network». PLOS Computational Biology. 7 (2): e1001066. Bibcode:2011PLSCB...7E0010V. PMC 3033362 . PMID 21304930. doi:10.1371/journal.pcbi.1001066   
  12. ↑ Cook, Steven J.; Jarrell, Travis A.; Brittin, Christopher A.; Wang, Yi; Bloniarz, Adam E.; Yakovlev, Maksim A.; Nguyen, Ken C. Q.; Tang, Leo T.-H.; Bayer, Emily A. (3 de julho de 2019). «Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes». Nature. 571 (7763): 63–71. Bibcode:2019Natur.571...63C. PMC 6889226 . PMID 31270481. doi:10.1038/s41586-019-1352-7 
  13. ↑ Witvliet, Daniel; Mulcahy, Ben; Mitchell, James K.; Meirovitch, Yaron; Berger, Daniel R.; Wu, Yuelong; Liu, Yufang; Koh, Wan Xian; Parvathala, Rajeev (agosto de 2021). «Connectomes across development reveal principles of brain maturation». Nature (em inglês). 596 (7871): 257–261. ISSN 1476-4687. bioRxiv 10.1101/2020.04.30.066209  Verifique |biorxiv= value (ajuda). doi:10.1038/s41586-021-03778-8  Parâmetro desconhecido |biorxiv= ignorado (ajuda)
  14. ↑ Vogelstein JV, Perlman E, Falk B, Baden A, Gray-Roncal W, Chandrashekhar V, Collman C, Seshamani S, Patsolic JL, Lillaney K, Kazhdan M, Hider R, Pryor D, Matelsky J, Gion T, Manavalan P, Wester B, Chevillet M, Trautman ET, Khairy K, Bridgeford E, Kleissas DM, Tward DJ, Crow AK, Hsueh B, Wright MA, Miller MI, Smith SJ, Vogelstein JR, Deisseroth K, Burns R (outubro de 2018). «A community-developed open-source computational ecosystem for big neuro data». Nature Methods. 15 (11): 846–847. Bibcode:2018arXiv180402835B. PMC 6481161 . PMID 30377345. arXiv:1804.02835 . doi:10.1038/s41592-018-0181-1 
  15. ↑ Scheffer, Louis K; Xu, C Shan; Januszewski, Michal; Lu, Zhiyuan; Takemura, Shin-ya; Hayworth, Kenneth J; Huang, Gary B; Shinomiya, Kazunori; Maitlin-Shepard, Jeremy (3 de setembro de 2020). Eisen; Pipkin; Doe, eds. «A connectome and analysis of the adult Drosophila central brain». eLife. 9: e57443. ISSN 2050-084X. doi:10.7554/eLife.57443  Faltam os |sobrenomes1= em Editors list (ajuda)
  16. ↑ Phelps, Jasper S.; Hildebrand, David Grant Colburn; Graham, Brett J.; Kuan, Aaron T.; Thomas, Logan A.; Nguyen, Tri M.; Buhmann, Julia; Azevedo, Anthony W.; Sustar, Anne (fevereiro de 2021). «Reconstruction of motor control circuits in adult Drosophila using automated transmission electron microscopy». Cell. 184 (3): 759–774.e18. ISSN 0092-8674. PMC 8312698 . PMID 33400916. doi:10.1016/j.cell.2020.12.013 
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  26. ↑ Honey CJ, Sporns O (julho de 2008). «Dynamical consequences of lesions in cortical networks». Human Brain Mapping. 29 (7): 802–9. PMC 6870962 . PMID 18438885. doi:10.1002/hbm.20579 
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