Como o novo software está mudando nossa compreensão do desenvolvimento do cérebro humano

Um único cérebro é incompreensivelmente complexo. Assim, os investigadores do cérebro, quer estejam a analisar conjuntos de dados construídos a partir de 300.000 neurónios em 81 ratos ou a partir de ressonâncias magnéticas de 1.200 adultos jovens, estão agora a lidar com tanta informação que também devem encontrar novos métodos para a compreender. O desenvolvimento de novas ferramentas de análise tornou-se tão importante quanto usá-las para compreender a saúde e o desenvolvimento do cérebro.

Uma equipe que inclui pesquisadores da Universidade de Washington usou recentemente um novo software para comparar ressonâncias magnéticas de 300 bebês e descobriu que a mielina, uma parte da chamada substância branca do cérebro, se desenvolve muito mais lentamente após o nascimento. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 7 de agosto no Anais da Academia Nacional de Ciências.

UW News conversou com o autor sênior Ariel Rokem, professor associado de pesquisa da UW no departamento de psicologia e pesquisador de ciência de dados no eScience Institute, sobre o artigo e sua abordagem de pesquisa.

Quais tópicos você pesquisa e como?

Ariel Rokem: Meu grupo trabalha com neuroinformática, que tem como foco a construção de métodos e softwares para análise de dados de neurociências. Nós nos concentramos especificamente em medições de ressonância magnética em cérebros humanos. Um cérebro é feito de uma grande rede de conexões entre diferentes áreas. Dentro do nosso cérebro, temos grandes feixes de conexões chamados matéria branca, que contêm muitos axônios, que são as partes longas e ramificadas dos neurônios que permitem que eles se comuniquem entre si através de grandes distâncias. Portanto, usamos a ressonância magnética para encontrar esses feixes em cada pessoa em um estudo e, em seguida, dar sentido ao tecido dentro desses feixes. A partir disso, podemos encontrar diferenças entre pessoas que têm certas doenças e aquelas que não têm, ou diferenças no desenvolvimento ou nas habilidades cognitivas.

Como essa abordagem difere de como a pesquisa sobre o cérebro foi praticada historicamente?

RA: Durante muitos anos, os pesquisadores levavam as cobaias ao hospital local ou centro de ressonância magnética e coletavam alguns dados. E as pessoas ainda fazem isso. Na verdade, temos um desses scanners no novo Centro de Neurociência Humana da UW, do qual faço parte. Mas as abordagens mais recentes envolvem a recolha de quantidades muito maiores de dados. Por exemplo, seria difícil para qualquer pessoa aqui no departamento da UW coletar dados de mais de 1.000 indivíduos. Mas há alguns anos, os Institutos Nacionais de Saúde financiaram o chamado Projeto Conectoma Humano para fazer exatamente isso – obter uma amostra de 1.200 pessoas adultas e saudáveis ​​e coletar grandes quantidades de dados sobre cada uma delas. Na neuroinformática, pegamos esses tipos de conjuntos de dados e desenvolvemos ferramentas para estudá-los.

A que descobertas esses métodos levaram na ciência do cérebro?

RA: Nosso artigo recente é um bom exemplo. Nossa equipe usou um grande conjunto de dados disponível abertamente do Projeto Conectoma Humano em Desenvolvimento, que coleta dados de recém-nascidos nos primeiros dias de vida. Estávamos observando como a substância branca se desenvolve nesses exames de mais de 300 bebês. Minha colaboradora e autora principal, Mareike Grotheer, da Universidade Philipps de Marburg, já havia pegado um software para encontrar feixes de substância branca em adultos e o adaptado para funcionar no cérebro dos bebês. Neste estudo, ampliamos sua abordagem usando computação em nuvem. Estávamos observando como a mielina, uma bainha gordurosa que isola os axônios, cresce na substância branca.

Sabemos, através de outros estudos, que o desenvolvimento anormal da mielina está associado a muitos distúrbios de desenvolvimento e de saúde mental, desde a depressão crónica à esquizofrenia. Mas antes deste estudo ainda não sabíamos como o nascimento altera o curso do desenvolvimento da mielina.

Tínhamos várias hipóteses que queríamos testar. Uma é, bem, que não importa exatamente quando você nasceu; só importa quanto tempo passou desde a concepção até o momento do exame. Outra era que importa apenas quanto tempo após a concepção você nasceu, e não importa quanto tempo após o nascimento você foi examinado. E tínhamos uma terceira hipótese que diz que ambas as coisas são importantes: quanto tempo o bebê passou em gestação no útero da mãe e quanto tempo passou desde o nascimento até o momento do exame. Então, estávamos comparando exames de bebês que nasceram em diferentes idades gestacionais, desde nascimentos prematuros muito precoces até bebês que nasceram algumas semanas após completarem 40 semanas. Como tínhamos esse grande conjunto de dados para trabalhar, pudemos realmente mapear como o cérebro dos bebês muda nos primeiros dias e semanas de vida.

Descobrimos que os dados sustentam que tanto a idade gestacional no nascimento como a idade gestacional no momento do exame eram importantes, mas há um ponto de inflexão logo no nascimento. Nesse momento, o desenvolvimento desses pacotes que estávamos analisando desacelera drasticamente. É um facto básico, mas não sabíamos disso até agora e descobrimos isso examinando dados disponíveis publicamente. Isto tem implicações para a nossa compreensão básica do desenvolvimento do cérebro na primeira infância e implicações para as formas como podemos mitigar os efeitos adversos do nascimento prematuro. Talvez, por exemplo, a criação de um ambiente “semelhante ao útero” após o nascimento pudesse compensar este desenvolvimento lento e dar aos cérebros dos bebés prematuros mais tempo para se desenvolverem.

O que você pretende investigar com esses métodos daqui para frente?

RA: Estamos começando a fazer perguntas sobre conexões cerebrais relacionadas ao transtorno do espectro do autismo e à esquizofrenia. Agora também fazemos parte do Estudo ACT da UW, ou Estudo de Mudanças de Pensamento em Adultos. Já existe há quase 30 anos, acompanhando um grande grupo de pessoas na área de Seattle à medida que envelhecem. Na rodada recente desse estudo, adicionamos medições de ressonância magnética. Estamos desenvolvendo métodos para fazer inferências sobre os feixes de substância branca em pessoas que estão envelhecendo.

Co-autores adicionais neste artigo são David Bloom, um ex-aluno de pós-bacharelado da UW no departamento de psicologia; John Kruper, estudante de doutorado da UW no departamento de psicologia; Adam Richie-Halford, ex-pesquisador de pós-doutorado da UW no departamento de psicologia; Stephanie Zika e Vicente A. Aguilera González da Universidade Philipps de Marburg; e Jason D. Yeatman e Kalanit Grill-Spector da Universidade de Stanford.