Lendo a mente de um verme

Lendo a mente de um verme

Cientistas da Salk usam aprendizado de máquina para prever cheiros com base na atividade cerebral em vermes

LA JOLLA - Parece um truque de festa: os cientistas agora podem observar a atividade cerebral de um pequeno verme e dizer qual substância química o animal cheirou alguns segundos antes. Mas as descobertas de um novo estudo, liderado pelo Salk Associate Professor Sreekanth Chalasani, são mais do que uma novidade; eles ajudam os cientistas a entender melhor como o cérebro funciona e integra informações.

“Encontramos algumas coisas inesperadas quando começamos a observar o efeito desses estímulos sensoriais em células individuais e conexões dentro dos cérebros dos vermes”, diz Chalasani, membro do Laboratório de Neurobiologia Molecular e autor sênior do novo trabalho, publicado na revista Biologia Computacional PLOS Em novembro 9, 2021.

Chalasani está interessado em saber como, no nível celular, o cérebro processa as informações do mundo exterior. Os pesquisadores não podem rastrear simultaneamente a atividade de cada uma das 86 bilhões de células cerebrais em um ser humano vivo, mas podem fazer isso no verme microscópico. Caenorhabditis elegans, que tem apenas 302 neurônios. Chalasani explica que em um animal simples como C. elegans, os pesquisadores podem monitorar neurônios individuais enquanto o animal realiza ações. Atualmente, esse nível de resolução não é possível em humanos ou mesmo em camundongos.

A equipe de Chalasani começou a estudar como C. elegans os neurônios reagem ao cheiro de cada uma das cinco substâncias químicas diferentes: benzaldeído, diacetil, álcool isoamílico, 2-nonanona e cloreto de sódio. Estudos anteriores mostraram que C. elegans pode diferenciar esses produtos químicos, que, para os humanos, cheiram a amêndoa, pipoca com manteiga, banana, queijo e sal. E enquanto os pesquisadores conhecem as identidades do pequeno punhado de neurônios sensoriais que detectam diretamente esses estímulos, o grupo de Chalasani estava mais interessado em como o resto do cérebro reage.

Os pesquisadores projetaram C. elegans de modo que cada um de seus 302 neurônios continha um sensor fluorescente que acenderia quando o neurônio estivesse ativo. Então, eles observaram sob um microscópio enquanto expunham 48 vermes diferentes a repetidas rajadas dos cinco produtos químicos. Em média, 50 ou 60 neurônios foram ativados em resposta a cada produto químico.

Ao observar as propriedades básicas dos conjuntos de dados – como quantas células estavam ativas em cada ponto do tempo – Chalasani e seus colegas não conseguiram diferenciar imediatamente entre os diferentes produtos químicos. Então, eles se voltaram para uma abordagem matemática chamada teoria dos grafos, que analisa as interações coletivas entre pares de células: quando uma célula é ativada, como a atividade de outras células muda em resposta?

Esta abordagem revelou que sempre que C. elegans foi exposto ao cloreto de sódio (sal), houve primeiro uma explosão de atividade em um conjunto de neurônios - provavelmente os neurônios sensoriais - mas cerca de 30 segundos depois, trigêmeos de outros neurônios começaram a coordenar fortemente suas atividades. Esses mesmos trigêmeos distintos não foram vistos após os outros estímulos, permitindo que os pesquisadores identificassem com precisão – com base apenas nos padrões cerebrais – quando um verme foi exposto ao sal.

"C. elegans parece ter atribuído um alto valor à detecção de sal, usando uma configuração de circuito completamente diferente no cérebro para responder”, diz Chalasani. “Isso pode ser porque o sal geralmente representa bactérias, que são comida para o verme”.

Em seguida, os pesquisadores usaram um algoritmo de aprendizado de máquina para identificar outras diferenças mais sutis em como o cérebro respondia a cada um dos cinco produtos químicos. O algoritmo foi capaz de aprender a diferenciar a resposta neural ao sal e ao benzaldeído, mas muitas vezes confundiu os outros três produtos químicos.

“Qualquer que seja a análise que fizemos, é um começo, mas ainda estamos obtendo apenas uma resposta parcial sobre como o cérebro discrimina essas coisas”, diz Chalasani.

Ainda assim, ele aponta que a maneira como a equipe abordou o estudo - observando a resposta em toda a rede do cérebro a um estímulo e aplicando a teoria dos gráficos, em vez de apenas focar em um pequeno conjunto de neurônios sensoriais e se eles são ativados - abre caminho o caminho para estudos mais complexos e holísticos de como os cérebros reagem aos estímulos.

O objetivo final dos pesquisadores, é claro, não é ler as mentes de vermes microscópicos, mas obter uma compreensão mais profunda de como os humanos codificam informações no cérebro e o que acontece quando isso dá errado em distúrbios de processamento sensorial e condições relacionadas, como ansiedade. , transtornos de déficit de atenção e hiperatividade (TDAH), transtornos do espectro autista e outros.

Os outros autores do novo estudo foram Saket Navlakha, do Cold Spring Harbor Laboratory, e Javier How, da UC San Diego. O trabalho foi financiado por doações do Pew Charitable Trusts, do National Institutes of Health e da National Science Foundation.

DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009591