Nova ferramenta de mapeamento cerebral pode ser o “INÍCIO” da próxima geração de terapias

Nova ferramenta de mapeamento cerebral pode ser o “INÍCIO” da próxima geração de terapias

Cientistas de Salk estreiam método para identificar conectividade entre tipos de células cerebrais com resolução sem precedentes

LA JOLLA—Cientistas do Salk Institute estão revelando uma nova neurotecnologia de mapeamento cerebral chamada Single Transcriptome Assisted Rabies Tracing (START). A ferramenta de ponta combina duas tecnologias avançadas — rastreamento do vírus da raiva monossináptico e transcriptômica de célula única — para mapear as intrincadas conexões neuronais do cérebro com precisão inigualável.

Usando a técnica, os pesquisadores se tornaram os primeiros a identificar os padrões de conectividade feitos por subtipos transcriptômicos de neurônios inibitórios no córtex cerebral. Eles dizem que ter essa capacidade de mapear a conectividade de subtipos neuronais impulsionará o desenvolvimento de novas terapêuticas que podem atingir certos neurônios e circuitos com maior especificidade. Tais tratamentos podem ser mais eficazes e produzir menos efeitos colaterais do que as abordagens farmacológicas atuais.

O estudo, publicado em 30 de setembro de 2024, em Neurônio, é o primeiro a resolver a conectividade cortical na resolução de tipos de células transcriptômicas.

“Quando se trata de tratar distúrbios neurológicos e neuropsiquiátricos, estamos essencialmente tentando consertar uma máquina sem entender completamente suas partes”, diz o autor sênior Edward Callaway, professor e Vincent J. Coates Chair em Neurobiologia Molecular na Salk. “O START está nos ajudando a criar um projeto detalhado das muitas partes do cérebro e como todas elas se conectam.”

É como tentar consertar um carro sem saber o que é um motor ou um eixo, ele diz. Mas se você tivesse um diagrama das peças do carro, você poderia começar a entender como elas podem trabalhar juntas para fazer as rodas girarem e o carro se mover. Esse conhecimento tornaria muito mais fácil identificar um problema no sistema e descobrir quais ferramentas você precisará para consertá-lo.

Ao descrever as partes do cérebro, os neurônios são inicialmente agrupados em duas classes amplas: excitatórios (aqueles que estimulam a atividade cerebral) e inibitórios (aqueles que suprimem a atividade) — semelhantes ao acelerador e ao freio de um carro. A partir daí, eles podem ser classificados em subclasses: os neurônios excitatórios são categorizados pela camada do cérebro em que estão, enquanto os neurônios inibitórios são identificados pelas proteínas marcadoras que expressam.

Avanços recentes em transcriptômica agora permitem que essas subclasses sejam decompostas ainda mais. Usando sequenciamento de RNA de célula única, os cientistas agora podem agrupar células com padrões de expressão genética semelhantes e definir cada cluster como um subtipo neuronal específico.

“Definir um tipo de célula é complicado porque você pode agrupar células de forma diferente dependendo do método que você está usando para observá-las”, diz Callaway. “Duas células podem ter padrões de expressão genética ligeiramente diferentes, mas desempenham uma função semelhante, ou duas células com expressão genética semelhante podem ser ainda mais separadas com base em sua anatomia, conectividade ou fisiologia. Se você considerar apenas uma dessas características, você pode acabar dividindo demais ou de menos os grupos. O START nos ajuda a entender qual nível de categorização pode ser mais significativo para a função do circuito, e isso informará quais células atingir com novas terapêuticas.”

Para criar o START, o laboratório Callaway projetou uma maneira de combinar o sequenciamento de RNA de célula única com outra técnica que eles haviam desenvolvido anteriormente: rastreamento do vírus da raiva monossináptico. A abordagem permite que um vírus modificado salte de um tipo de célula de interesse para apenas as células diretamente conectadas a ele. Ao detectar onde o vírus acaba, os pesquisadores podem mapear quais células estão conectadas a quais.

Os pesquisadores primeiro usaram sua nova ferramenta para explorar padrões de conectividade no córtex visual do camundongo. O START foi capaz de resolver cerca de 50 subtipos diferentes de neurônios inibitórios nessa região e mapear suas conexões com neurônios excitatórios em cada camada do córtex. As descobertas dos pesquisadores identificaram padrões de conectividade distintos em vários subtipos transcriptômicos de neurônios inibitórios que não poderiam ter sido distinguidos usando métodos anteriores.

“As pessoas geralmente tratam todos os neurônios inibitórios como um único grupo uniforme, mas eles são, na verdade, muito diversos, e tentar estudá-los ou direcioná-los clinicamente como um grupo pode obscurecer diferenças importantes que são críticas para a função cerebral e a doença”, diz a primeira autora Maribel Patiño, ex-aluna de pós-graduação no laboratório de Callaway e atual residente de psiquiatria na Faculdade de Medicina da UC San Diego.

O START revelou que cada camada cortical de neurônios excitatórios recebeu entrada seletiva de subtipos transcriptômicos específicos de células inibitórias Sst, Pvalb, Vip e Lamp5. A conectividade única de cada subtipo ajuda a estabelecer microcircuitos sofisticados que provavelmente contribuem para funções cerebrais especializadas.

Por exemplo, os pesquisadores conseguiram resolver um subtipo inibitório chamado células Sst Chodl, que se acredita estarem associadas à regulação do sono. Usando o START, eles descobriram que as células Chodl eram o tipo de célula mais densamente conectada aos neurônios excitatórios da camada 6, que são conhecidos por se projetarem para o tálamo para coordenar os ritmos do sono.

Essa resolução sem precedentes permitirá que os neurocientistas continuem descobrindo como subtipos neuronais específicos moldam os circuitos do cérebro para produzir nossos pensamentos, percepções, emoções e comportamentos.

Os próximos passos dos pesquisadores são criar vetores virais e tecnologias de edição genética que tenham como alvo cada subtipo de célula individual. No futuro, essas ferramentas podem ser adaptadas em novas terapêuticas que modificam seletivamente as populações específicas de neurônios que contribuem para condições como autismo, síndrome de Rett e esquizofrenia.

“Não sabemos exatamente como essas informações serão usadas daqui a 10 ou 20 anos, mas o que sabemos é que as tecnologias estão mudando rapidamente, e a maneira como o cérebro é tratado hoje com medicamentos não é a maneira como o cérebro será tratado no futuro”, diz Callaway. “O START pode ajudar a impulsionar essa inovação, para que os vírus e recursos estejam todos disponíveis gratuitamente para toda a comunidade de neurociência usar.”

Outros autores incluem Marley A. Rossa, Willian Nuñez Lagos e Neelakshi S. Patne, do Instituto Salk.

O trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R34 NS116885, T32 GM007198, P30 014195, S10 OD023689) e pela Paul and Daisy Soros Fellowship for New Americans.

DOI: 10.1016 / j.neuron.2024.09.003