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Não há mistério científico maior do que o cérebro. Ele é feito principalmente de água; grande parte do resto é gordura. No entanto, esta massa de cerca de 1,4 quilogramas produz nossos pensamentos, memórias e emoções. Ela controla a forma como interagimos com o mundo e coordena o nosso corpo. Os cientistas estão começando a desvendar cada vez mais as complexidades de como ele funciona, além de entender como os 86 bilhões de neurônios no cérebro humano formam as conexões que produzem ideias e sentimentos, bem como a capacidade de se comunicar e reagir. Confira um resumo de algumas das pesquisas mais inovadoras e do porquê elas são importantes.
Como um conjunto de células cria pensamentos e comportamentos?
O que é:
Neurocientistas cognitivos e comportamentais estudam como as proteínas, genes e estruturas de nossos cérebros dão origem a comportamentos e processos mentais. Como o cérebro aprende e se lembra das coisas? Como ele toma decisões? Como processa e responde ao mundo?
Por que isso importa:
Entender a memória pode nos ajudar a tratar a doença de Alzheimer; entender o sistema de recompensa pode ajudar a tratar vícios; entender as emoções pode nos dar novas pistas sobre como prevenir a depressão.
A inovação:
Sheena Josselyn, neurocientista do Hospital for Sick Children em Toronto, Canadá, estuda como e onde o cérebro armazena as memórias. Ela diz que identificar os circuitos neuronais (grupos interconectados de neurônios) responsáveis por armazenar memórias específicas pode ser fundamental para o tratamento de distúrbios de memória, pois não é ideal usar medicamentos que afetam o cérebro todo.
Segundo Josselyn, “Não podemos tratar o cérebro como uma tigela de sopa, onde se adicionarmos um pouco de orégano, tudo ficará melhor”. “Precisamos entender aonde exatamente queremos direcionar os tratamentos”. Ela quer entender melhor os neurônios e circuitos neuronais que são importantes “na formação e armazenamento e recordação de uma memória” para criar procedimentos mais precisos.
Recentemente, o laboratório de Josselyn identificou um novo caminho que é importante para recuperar memórias mais antigas. Ele vai do hipocampo (região do cérebro que controla a aprendizagem e a memória) ao tálamo, que atua como uma espécie de estação de retransmissão de informações sensoriais no cérebro. Quando os pesquisadores desligaram esse caminho em camundongos, os animais conseguiram se lembrar de uma experiência do dia anterior, mas nenhuma do último mês.
Kay Tye, professora de neurociência do Instituto Salk, em San Diego, Califórnia, estuda os caminhos neuronais envolvidos no aprendizado e nas emoções como a solidão para tentar compreender o abuso de substâncias e a ansiedade. O laboratório de Tye identificou um caminho neuronal que ajuda a orientar o comportamento quando estímulos simultâneos transmitem resultados positivos e negativos.
Os próximos passos:
Assim que compreendermos melhor as regiões do cérebro, caminhos e neurotransmissores envolvidos na memória, ansiedade e no medo; e como eles podem ser alterados, podemos desenvolver estratégias mais precisas para tratar doenças.
Está em seus genes
O que é:
O campo da neurogenética explora como os genes afetam a estrutura e a função do sistema nervoso.
Por que isso importa:
Se conseguirmos identificar o papel dos genes, poderemos diagnosticar distúrbios cerebrais com maior precisão, ou até mesmo intervir para interromper seu progresso.
A inovação:
Steven McCarroll, diretor de neurobiologia genômica no Stanley Center for Psychiatric Research do Broad Institute (EUA), estuda genes relacionados à esquizofrenia. Junto a uma equipe de pesquisadores, ele identificou variantes em um gene associado ao distúrbio que geraram uma quantidade maior de uma proteína envolvida na marcação de sinapses (conexões entre neurônios).
Quando McCarroll e seus colegas aumentaram o número de genes em camundongos, os roedores ficaram com menos sinapses. A memória de trabalho deles foi prejudicada e o comportamento social deles mudou. Os pesquisadores acham que essas variações genéticas podem estar relacionadas às perdas sinápticas e mudanças comportamentais observadas em pessoas com esquizofrenia.
Ying-Hui Fu, professora de Neurologia da Universidade da Califórnia em São Francisco, Estados Unidos, identificou três mutações genéticas diferentes capazes de reduzir a quantidade de sono que as pessoas precisam.
Uma delas até protege contra os problemas de memória que costumam ser associados à privação do sono.
Outros pesquisadores estão procurando genes que mantêm as pessoas relativamente saudáveis mesmo quando elas carregam outros genes que aumentam seu risco de desenvolver a doença de Alzheimer de início precoce.
Os próximos passos:
Ao identificar como os genes contribuem para as doenças, os cientistas podem conseguir desenvolver tratamentos, talvez usando medicamentos para bloquear a ação de uma proteína produzida por um gene causador de doenças ou imitar as ações de uma proteína protetora. Terapias genéticas para silenciar os genes prejudiciais também estão sendo exploradas. Um tratamento desse tipo para a esclerose lateral amiotrófica (ELA), uma doença neurológica, foi liberado para testes nos EUA; um ensaio de terapia genética para a Doença de Huntington está em andamento.
A engenharia do cérebro
O que é:
Neuroengenheiros estão procurando maneiras de conectar o sistema nervoso, incluindo o cérebro, às máquinas. Dispositivos experimentais podem transformar a atividade neuronal em texto ou fazê-la mover um membro artificial; alguns convertem informações de sensores artificiais em estímulos nervosos que o cérebro pode entender.
Por que isso importa:
Atualmente, a tecnologia pode ajudar pessoas que estão paralisadas ou sofreram amputações através da restauração da capacidade de se comunicar, sentir sensações e se mover. Implantes que estimulam o cérebro também podem proporcionar novas maneiras de tratar epilepsia, dores crônicas, e cegueira.
A inovação:
Neuroengenheiros de Stanford (EUA) estão usando medições de atividade cerebral para ajudar a restaurar a função em pessoas que estão paralisadas. Os pesquisadores implantaram dois conjuntos de eletrodos minúsculos em uma parte do cérebro responsável pelo movimento das mãos de um homem paralisado do pescoço para baixo. Enquanto o homem imaginava escrever letras, os cientistas usaram o machine learning para transformar sua atividade cerebral em letras em uma tela. Usando este sistema, o homem conseguiu escrever 90 letras por minuto, mais do que o dobro do recorde anterior de escrita através de atividade cerebral.
No futuro, esses dispositivos podem melhorar a cognição, permitir a comunicação entre cérebros ou criar experiências ultrarrealistas de realidade virtual que incorporem todos os nossos sentidos.
Outros neuroengenheiros estão trabalhando em próteses que podem transmitir informações sensoriais de volta ao usuário. Luke Osborn, neuroengenheiro da Universidade Johns Hopkins (EUA) está trabalhando em maneiras de transmitir diferentes tipos de sensações em pessoas que sofreram amputações, estimulando os nervos do membro acima do local da amputação. Até agora, os dispositivos conseguiram transmitir sensações de pressão e até mesmo dor leve. Segundo Osborn, as sensações de dor são uma fonte essencial de informação, pois nos alertam que podemos estar fazendo algo perigoso.
Os próximos passos:
Dispositivos que conectam cérebros e computadores podem ser usados não apenas para restaurar funções perdidas, mas também para aprimorar as habilidades dos nossos cérebros. No futuro, esses dispositivos podem melhorar a cognição, permitir a comunicação entre cérebros ou criar experiências ultrarrealistas de realidade virtual que incorporem todos os nossos sentidos.
Como fazer um cérebro
O que é:
A neurociência do desenvolvimento explora como a estrutura e função do cérebro mudam à medida que um organismo amadurece. Como os neurônios individuais encontram seu caminho para o lugar certo no cérebro?
Por que isso importa:
Compreender o desenvolvimento do cérebro — e o que faz com que ele dê problema — pode nos ajudar a lidar com condições como microcefalia, autismo e TDAH. Se soubermos como os eventos antes do nascimento e durante a infância afetam a estrutura e função do cérebro em desenvolvimento, seremos mais capazes de dar às crianças a melhor chance possível de ter um desenvolvimento saudável.
A inovação:
Madeline Lancaster, do Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology no Reino Unido, estuda o desenvolvimento do cérebro usando organoides, que são aglomerados tridimensionais de células, derivadas de células-tronco humanas, que se auto-organizam em um órgão em miniatura. Ele é mais simples, mas ainda semelhante ao cérebro. Para fazer um modelo mais preciso do cérebro humano, ela está criando organoides que vivem mais e que imitam diferentes tipos de estruturas cerebrais.
Usando esse método, Lancaster descobriu que uma proteína chamada ZEB2 é fundamental para regular a notável expansão de desenvolvimento que torna os cérebros humanos muito maiores do que os dos macacos. Compreender processos que controlam o tamanho do cérebro pode nos ajudar a entender melhor as causas da microcefalia e de outros distúrbios nos quais o cérebro fetal não se desenvolve adequadamente. O desenvolvimento cerebral que ocorre após o nascimento também é importante. Rebecca Saxe, do MIT, está trabalhando para entender as estruturas e atividades cerebrais responsáveis pela cognição social, que nos permite levar em consideração os estados mentais de outras pessoas.
Saxe descobriu que uma certa região do cérebro é fundamental. Se estudar como a atividade nesta região e em outras muda ao longo da infância, talvez ela seja capaz de entender como as habilidades sociais se desenvolvem. Ela também descobriu que esses padrões de atividade cerebral são alterados em pessoas com transtornos do espectro do autismo.
Os próximos passos:
Mesmo que os pesquisadores estejam começando a entender alguns dos processos que determinam o desenvolvimento, e já tenham identificado coisas que podem sabotá-lo, estamos longe de poder intervir quando tais problemas ocorrem. Porém, à medida que ganhamos conhecimento, poderemos eventualmente testar terapias ou outras maneiras de resolver esses problemas de desenvolvimento.
Computadores que imitam o cérebro
O que é:
Neurocientistas computacionais usam modelos matemáticos para entender melhor como as redes de células cerebrais nos ajudam a interpretar o que vemos e ouvimos, integrar novas informações, tomar decisões e criar e armazenar memórias.
Por que é importante:
Entender como a atividade dos neurônios controla a cognição e o comportamento pode nos fornecer maneiras de melhorar a memória ou entender os processos de doenças.
A inovação:
Terry Sejnowski, um neurobiólogo computacional do Instituto Salk (EUA), construiu um modelo computacional do córtex pré-frontal e analisou seu desempenho em uma tarefa onde uma pessoa (ou máquina) deve organizar cartões de acordo com uma regra que sempre muda. Embora os humanos sejam ótimos em se adaptar, as máquinas costumam ter dificuldades. Contudo, o computador de Sejnowski, que imita os padrões de fluxo de informações observados no cérebro, teve um bom desempenho nessa tarefa. Esta pesquisa poderia ajudar as máquinas a “pensar” mais como seres humanos e se adaptar mais rapidamente a novas condições.
Aude Oliva, diretora do laboratório MIT-IBM Watson AI Lab (EUA), usa ferramentas computacionais para modelar e prever como os cérebros irão perceber e lembrar informações visuais. Sua pesquisa mostra que diferentes imagens geram certos padrões de atividade, tanto no córtex dos macacos quanto nos modelos de redes neurais, e que esses padrões preveem o quão memorável será uma determinada imagem.
Os próximos passos:
Pesquisas como a de Sejnowski podem suscitar máquinas “mais inteligentes”, mas também podem nos ajudar a entender distúrbios que alteram a função do córtex pré-frontal, incluindo esquizofrenia, demência e os efeitos do traumatismo craniano.
Por que as coisas dão errado?
O que é:
Pesquisadores estão tentando determinar os fatores de risco genéticos e ambientais para doenças neurodegenerativas, bem como seus mecanismos subjacentes.
Por que é importante:
Melhorar a prevenção, a detecção precoce e o tratamento de doenças como Alzheimer, Parkinson, Huntington, encefalopatia traumática crônica e ELA beneficiariam milhões de pessoas em todo o mundo.
A inovação:
No Massachusetts General Hospital (EUA), Yakeel Quiroz estuda mudanças na estrutura e função cerebral que ocorrem antes de se iniciarem os sintomas de Alzheimer. Ela está procurando biomarcadores que possam ser usados para detecção precoce da doença e tentando identificar potenciais alvos para tratamentos. Um possível biomarcador da doença de Alzheimer de início precoce que ela descobriu (uma proteína chamada NfL) apresenta níveis elevados no sangue mais de duas décadas antes dos sintomas aparecerem. Quiroz também identificou uma mulher com uma mutação genética protetora que a impediu de desenvolver deficiências cognitivas e degeneração cerebral, embora seu cérebro mostrasse altos níveis de amiloide, uma proteína envolvida no desenvolvimento da doença de Alzheimer. Estudar os efeitos dessa mutação benéfica pode levar a novos tratamentos.
Pesquisadores do Early Detection of Neurodegenerative Diseases initiative no Reino Unido, estão analisando se os dados digitais coletados por smartphones ou dispositivos vestíveis podem dar avisos precoces de uma doença antes que os sintomas se desenvolvam. Um dos projetos da iniciativa (uma parceria com a Universidade de Boston) coletará dados usando aplicativos, monitoramento de atividades e de sono em pessoas com e sem demência para identificar possíveis sinais digitais da doença.
Os próximos passos:
À medida que aprendemos mais sobre as causas subjacentes das doenças neurodegenerativas, os pesquisadores vão tentando transformar esse conhecimento em tratamentos eficazes. Estão em andamento ensaios clínicos avançados para muitos distúrbios neurodegenerativos, incluindo Alzheimer, Parkinson, e ELA, todos focando em mecanismos recém compreendidos.
Tudo está conectado
O que é:
Os pesquisadores da Connectomics mapeiam e analisam conexões neuronais, criando um diagrama de fiação para o cérebro.
Por que é importante:
Compreender essas conexões ajudará a entender como o cérebro funciona; muitos projetos estão explorando as alterações em uma escala macro das conexões durante desenvolvimento, envelhecimento, ou doenças.
A inovação:
Mapear essas conexões não é fácil, afinal, pode haver até 100 trilhões de conexões no cérebro humano, e elas são todas pequenas. Os pesquisadores precisam encontrar as melhores maneiras de marcar neurônios específicos e rastrear as conexões que fazem com outros neurônios em partes remotas do cérebro, refinar a tecnologia para coletar essas imagens e descobrir como analisar as montanhas de dados geradas por esse processo.
Uma colaboração que incluiu Viren Jain, um cientista da computação do Google, e Jeff Lichtman, um neurocientista de Harvard (EUA), completou o mapa mais detalhado de uma seção do cérebro humano já produzido. Ao analisar uma imagem de um milímetro cúbico de cérebro em escala nanométrica, eles mapearam 50.000 células e mais de 130 milhões de sinapses, resultando em 1,4 petabytes de dados. Anteriormente, Lichtman havia ajudado a desenvolver a Brainbow, uma técnica que permite a rotulagem colorida de neurônios individuais em animais vivos, possibilitando que os cientistas rastreiem conexões neuronais.
Sebastian Seung, neurocientista computacional de Princeton (EUA), foi pioneiro em uma técnica que usa contribuição coletiva e machine learning para transformar imagens puras em mapas neuronais tridimensionais utilizáveis, com sinapses identificadas e tipos de células classificados. No primeiro projeto, chamado EyeWire, cientistas civis ajudaram a mapear neurônios na retina. O projeto atual, FlyWire, é um esforço ambicioso para mapear as conexões neuronais no cérebro inteiro de uma mosca da fruta.
O Instituto Allen, em Seattle (EUA), uma instituição importante na pesquisa de conectividade cerebral, disponibiliza seus mapas cerebrais ao público. Eles compilaram um atlas de conectividade cerebral de um camundongo, que inclui mapas que especificam os tipos de células nas conexões entre o córtex e o tálamo (uma estação de retransmissão sensorial e motora).
Os próximos passos:
Mapear as conexões neuronais individuais no cérebro humano não é uma tarefa fácil. Também existem variações entre e dentro dos indivíduos. Isso quer dizer que as conexões provavelmente mudarão à medida que nossos cérebros se desenvolverem, aprenderem e envelhecerem. Criar mapas cerebrais individuais em escala microscópica para todos provavelmente nos daria um nível de percepção sem precedentes, mas por enquanto esse é um sonho distante.
Saúde mental
O que é:
Por que e como as doenças psiquiátricas e distúrbios cerebrais se desenvolvem ainda é basicamente um mistério. Neurocientistas usam neuroimagem, genética, bioquímica, machine learning, estudos comportamentais e muito mais para entender as causas moleculares e ambientais.
Por que é importante:
As doenças mentais são uma das principais causas de incapacidade em todo o mundo. Cerca de 264 milhões de pessoas têm depressão, 45 milhões têm transtorno bipolar e 20 milhões têm esquizofrenia.
A inovação:
Satrajit Ghosh, neurocientista do MIT (EUA), está usando padrões de fala e neuroimagem para melhorar as avaliações de saúde mental em humanos. No curto prazo, Ghosh espera que isso possa ser usado para melhorar o diagnóstico, e já existem evidências de que pode ajudar a prever quais pacientes responderão a quais terapias. Entretanto, Ghosh diz que, futuramente, “queremos ser capazes de medir algo, prever um estado futuro e … ajustar o comportamento em tempo real para que você nunca atinja esse estado”.
Terapias usando estimulação cerebral estão possibilitando novas opções de tratamento para o Transtorno Obsessivo-Compulsivo (TOC). A estimulação cerebral profunda, onde eletrodos são implantados no cérebro, oferece alívio substancial para algumas pessoas cujo TOC não responde a outros tratamentos. Formas menos invasivas de estimulação neural também mostraram resultados iniciais promissores. Com apenas cinco dias de estimulação cerebral não invasiva, comportamentos obsessivo-compulsivos foram reduzidos por três meses em pessoas que apresentaram alguns sintomas de TOC.
Os pesquisadores estão fazendo avanços na compreensão e tratamento de transtornos de uso de substâncias, identificando padrões de conectividade cerebral que aumentam ou diminuem o risco de desenvolver vícios. Talvez, caminhos neuronais que ajudam as pessoas a resistir ao vício possam eventualmente ser reforçados através de tratamentos.
Medicamentos antes classificados como recreativos estão sendo explorados para o tratamento de doenças mentais. Em 2019, A Food and Drug Administration dos EUA aprovou o uso da esketamina para depressão resistente ao tratamento, a primeira vez em 30 anos que um remédio com um novo mecanismo de ação foi aprovado para o distúrbio. Mais recentemente, um estudo clínico em fase 3 mostrou que as pessoas com transtorno de estresse pós-traumático que receberam MDMA (também conhecido como Ecstasy) em conjunto com a terapia tradicional apresentaram melhora significativa em comparação com aqueles que somente fizeram a terapia. Ensaios clínicos estão testando o uso da psilocibina (o componente ativo dos cogumelos alucinógenos) para o tratamento da depressão, transtorno do uso de álcool, TOC, anorexia e muito mais.
Os próximos passos:
Eventualmente, pacientes com distúrbios cerebrais podem ser avaliados e tratados com base em sua genética, junto a biomarcadores e varreduras de atividades cerebrais.
Pesquisadores estão explorando como a genética pode orientar escolhas de tratamento para pacientes com depressão; como a conectividade em regiões do cérebro tais quais a amígdala pode levar a uma compreensão mais personalizada dos distúrbios relacionados ao medo e à ansiedade; e como biomarcadores no sangue podem rastrear a resposta do tratamento na depressão e no transtorno bipolar.
MIT Technology Review
