Os cientistas criaram cérebros em miniatura no laboratório, que formaram redes complexas e produziram ondas cerebrais semelhantes às disparadas pelo cérebro em desenvolvimento de um bebê humano prematuro, de acordo com um novo estudo.
A idéia de cultivar cérebros em miniatura no laboratório não é nova; pesquisadores o fazem há quase uma década. Mas a maioria dos estudos usou esses mini-cérebros ou "organoides" para estudar a estrutura em larga escala.
Por exemplo, um grupo desenvolveu mini-cérebros capazes de cultivar vasos sanguíneos, informou a Live Science anteriormente. Outro grupo expôs os mini-cérebros ao vírus zika para entender como ele pode levar a cabeças anormalmente pequenas ou microcefalia.
Mas em condições como autismo, esquizofrenia, transtorno bipolar e até depressão ", o cérebro está intacto e o problema depende das operações da rede", disse o autor sênior do estudo Alysson Muotri, professor associado do Departamento de Medicina Celular e Molecular e o diretor do programa de células-tronco da Universidade da Califórnia, em San Diego. É a primeira vez que cérebros cultivados em laboratório formam redes intricadas de neurônios que produzem fortes ondas cerebrais.
Para fazer isso, Muotri e sua equipe coletaram células-tronco humanas - que podem se transformar em qualquer tipo de célula, dadas as instruções corretas - derivadas da pele e do sangue das pessoas. Os pesquisadores expuseram essas células-tronco a instruções químicas que transformavam as células em células cerebrais.
Na maior parte, essas células formaram células progenitoras neurais, células específicas do cérebro que podem proliferar e dar origem a muitos tipos de células cerebrais. Após dois a cinco meses em um laboratório, essas células progenitoras formam neurônios glutamatérgicos, células cerebrais "excitatórias" ou aquelas que propagam informações.
Após cerca de quatro meses, os mini-cérebros deixaram de produzir neurônios excitatórios e começaram a produzir astrócitos. Essas células cerebrais ajudam a moldar sinapses, as lacunas entre as células cerebrais onde os neurotransmissores, ou substâncias químicas cerebrais, transmitem informações. Finalmente, as células progenitoras começaram a produzir neurônios inibitórios, que atenuam a atividade cerebral ou impedem que os neurônios passem informações. É quando "a atividade começa a se tornar mais complexa, porque agora estamos equilibrando excitação e inibição", disse Muotri.
Enquanto as células estavam se dividindo e se diferenciando, elas finalmente começaram a "se auto-organizar em algo que se assemelha ao córtex humano", disse Muotri. O córtex é a camada externa do cérebro, que desempenha um papel importante na consciência.
Os "mini-cérebros" não se parecem com versões em miniatura de cérebros humanos. Em vez disso, são bolhas esféricas e brancas que flutuam na sopa avermelhada em que são cultivadas, disse Muotri. Eles cresceram até apenas 0,5 polegadas (0,5 cm) de diâmetro, mas suas redes neurais continuaram a evoluir por nove a 10 meses antes de parar, disse ele.
Durante o crescimento dos mini-cérebros, a equipe usou um conjunto de minúsculos eletrodos que se conectam aos neurônios para medir a atividade cerebral. Os pesquisadores descobriram que, por volta de dois meses, os neurônios no mini-cérebro começaram a disparar sinais esporádicos, todos com a mesma frequência. Depois de mais alguns meses de desenvolvimento, o cérebro disparou sinais em diferentes frequências e mais regularmente, indicando atividade cerebral mais complexa, disse Muotri.
Embora estudos anteriores tenham demonstrado que mini-cérebros produzidos em laboratório podem produzir disparo de células cerebrais, pesquisadores relataram que eles disparam cerca de 3.000 vezes por minuto, disse Muotri. Neste estudo, no entanto, os neurônios dispararam cerca de 300.000 vezes por minuto, o que é "mais próximo do cérebro humano", disse ele.
A equipe então usou um algoritmo de aprendizado de máquina para comparar a atividade cerebral desses mini-cérebros com a de bebês humanos prematuros. Os pesquisadores treinaram seu programa para aprender as ondas cerebrais registradas em 39 bebês prematuros entre 6 e 9 meses e meio de idade.
Os cientistas então alimentaram os padrões de ondas cerebrais dos mini-cérebros no algoritmo e descobriram que, após 25 semanas de desenvolvimento do mini-cérebro, não era mais possível distinguir os dados provenientes do cérebro humano daqueles derivados do cérebro desenvolvido em laboratório. "Fica confuso e dá a mesma idade para os dois", o que sugere que os mini-cérebros e os cérebros humanos estavam crescendo e se desenvolvendo da mesma forma, disse Muotri.
Este estudo mostra "muito bem que você pode tornar esses sistemas experimentais reproduzíveis, onde pode abordar processos que são tão fundamentais para o desenvolvimento de um ser humano", disse o Dr. Thomas Hartung, diretor do Centro Johns Hopkins de Alternativas ao Teste em Animais. que também trabalhou no desenvolvimento de mini-cérebro no laboratório, mas que não fazia parte do estudo.
A "inacessibilidade do cérebro embrionário é uma das razões pelas quais esses modelos estão oferecendo algo diferente", disse ele. "Mas isso também significa que você tem oportunidades muito limitadas para dizer que isso é real". Embora os sinais de EEG sejam semelhantes aos de bebês prematuros, eles estão um pouco fora do tempo, acrescentou.
Enquanto um embrião humano está conectado à mãe e, portanto, recebe sinais externos, esses cérebros cultivados em laboratório não estão conectados a nada. "Essas células não têm entrada ou saída, não podem reconhecer nada que esteja acontecendo no mundo", disse Hartung. Portanto, eles "definitivamente não são" conscientes.
É com isso que a maioria dos cientistas concorda, mas "é difícil dizer", disse Muotri. "Nós, neurocientistas, nem concordamos quais são as medidas que podemos fazer para investigar se estão conscientes ou não."
O cérebro humano envia seus sinais para nos ajudar a interagir com o meio ambiente. Por exemplo, olhamos para um bug, os olhos enviam sinais para as células cerebrais, que sinalizam entre si e nos informam que estamos vendo um bug.
Então, por que esses cérebros cultivados em laboratório estão enviando sinais? Do que eles poderiam estar falando? "Essa é uma pergunta que não sabemos, porque o cérebro embrionário é realmente uma caixa preta", disse Muotri. Parece que a maioria dos sinais nesses estágios iniciais envolve instruções para "se auto-conectar" ou se conectar, disse ele.
De qualquer forma, ele disse que espera que estudos como esse nos ajudem a entender como as conexões cerebrais precoces dão origem a nossos cérebros complexos e o que acontece quando essas conexões ficam erradas.
Muotri e sua equipe disseram que agora esperam estimular ainda mais os organoides do cérebro para ver se eles podem se desenvolver além de nove a 10 meses. Os pesquisadores também gostariam de modelar distúrbios cerebrais, por exemplo, criando organoides cerebrais com células retiradas de crianças com autismo, para entender como as redes cerebrais se desenvolvem.
Os resultados foram publicados hoje (29 de agosto) na revista Cell Stem Cell.
